JPH0447982B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、光電変換装置に係り、特に光入射に
より発生したキヤリアを蓄積し、蓄積されたキヤ
リアに基づいて信号を読み出す光電変換装置に関
し、特に蓄積動作及びリフレツシユ動作の改良さ
れた光電変換装置に関する。

［従来の技術］ 近年、光電変換装置殊に、固体撮像装置に関す
る研究が、半導体技術の進展と共に積極的に行わ
れ、一部では実用化され始めている。

これらの固体撮像装置は、大きく分けると
CCD型とMOS型の２つに分類される。CCD型撮
像装置は、MOSキヤパシタ電極下にポテンシヤ
ルの井戸を形成し、光の入射により発生した電荷
をこの井戸に蓄積し、読出し時には、これらのポ
テンシヤルの井戸を、電極にかけるパルスにより
順次動かして、蓄積された電荷を出力アンプ部ま
で転送して読出すという原理を用いている。また
CCD型撮像装置の中には、受光部はpn接合ダイ
オード構造を使い、転送部はCCD構造で行うと
いうタイプのものもある。また一方、MOS型撮
像装置は、受光部を構成するpn接合よりなるフ
オトダイオードの夫々に光の入射により発生した
電荷を蓄積し、読出し時には、それぞれのフオト
ダイオードに接続されたMOSスイツチングトラ
ンジスタを順次オンすることにより蓄積された電
荷を出力アンプ部に読出すという原理を用いてい
る。

CCD型撮像装置は、比較的簡単な構造をもち、
また、発生し得る雑音からみても、最終段におけ
るフローテイング・デイフユージヨンよりなる電
荷検出器の容量値だけがランダム雑音に寄与する
ので、比較的低雑音の撮像装置であり、低照度撮
影が可能である。ただし、CCD型撮像装置を作
るプロセス的制約から、出力アンプとしてMOS
型アンプがオンチツプ化されるため、シリコン
と、SiO₂膜との界面から画像上、目につきやす
い、１／ｆ雑音が発生する。従つて、低雑音とは
いいながら、その性能に限界が存在している。ま
た、高解像度化を図るためにセル数を増加させて
高密度化すると、一つのポテンシヤル井戸に蓄積
できる最大の電荷量が減少し、ダイナミツクレン
ジがとれなくなるので、今後、固体撮像装置が高
解像度化されていく上で大きな問題となる。ま
た、CCD型の撮像装置は、ポテンシヤルの井戸
を順次動かしながら蓄積電荷を転送していくわけ
であるから、セルの一つに欠陥が存在してもそこ
で電荷転送がストツプしたり、あるいは、極端に
悪くなつてしまい、製造歩留りが上がらないとい
う欠点も有している。

これに対してMOS型撮像装置は、構造的には
CCD型撮像装置、特にフレーム転送型の装置に
比較して少し複雑ではあるが、蓄積容量を大きく
し得る様に構成でき、ダイナミツクレンジを広く
とれるという優位性をもつ。また、たとえセルの
１つに欠陥が存在しても、Ｘ−Ｙアドレス方式の
ためその欠陥による他のセルへの影響がなく、製
造歩留り的には有利である。しかしながら、この
MOS型撮像装置では、信号読み出し時に各フオ
トダイオードに配線容量が接続されるため、きわ
めて大きな信号電圧ドロツプが発生し、出力電圧
が下がつてしまうこと、配線容量が大きく、これ
によるランダム雑音の発生が大きいこと、また各
フオトダイオードおよび水平スキヤン用のMOS
スイツチングトランジスタの寄生容量のばらつき
による固定パターン雑音の混入等があり、CCD
型撮像装置に比較して低照度撮影はむずかしいこ
と等の欠点を有している。

また、将来の撮像装置の高解像度化においては
各セルのサイズが縮小され、蓄積電荷が減少して
いく。これに対しチツプサイズから決まつてくる
配線容量は、たとえ線幅を細くしてもあまり下が
らない。このため、MOS型撮像装置は、ますま
すＳ／Ｎ的に不利になる。

CCD型およびMOS型撮像装置は、以上の様な
一長一短を有しながらも次第に実用化レベルに近
ずいてきてはいる。しかし、さらに将来必要とさ
れる高解像度化を進めていくうえで本質的に大き
な問題を有しているといえる。

これに対して、固体撮像装置に関し、特開昭56
−150878号公報“半導体撮像装置”、特開昭56−
157073号公報“半導体撮像装置”、特開昭56−
165473号公報“半導体撮像装置”に新しい方式が
提案されている。CCD型、MOS型の撮像装置が、
光入射により発生した電荷を主電極（例えば
MOSトランジスタのソース）に蓄積するのに対
して、ここで提案されている方式は、光入射によ
り発生した電荷を、制御電極（例えばバイポー
ラ・トランジスタのベース、SIT（静電誘導トラ
ンジスタ）あるいはMOSトランジスタのゲート）
に蓄積し、光により発生した電荷により、流れる
電流をコントロールするという新しい考え方にも
とずくものである。すなわち、CCD型、MOS型
が、蓄積された電荷そのものを外部へ読出してく
るのに対して、ここで提案されている方式は、各
セルの増幅機能により電荷増幅してから蓄積され
た電荷を読出すわけであり、また見方を変えると
インピーダンス変換により低インピーダンス出力
として読出すわけである。従つて、ここで提案さ
れている方式は、高出力、広ダイナミツクレン
ジ、低雑音であり、かつ、光信号により励起され
たキヤリア（電荷）は制御電極に蓄積することか
ら、非破壊読出しができる等のいくつかのメリツ
トを有している。さらに将来の高解像度化に対し
ても可能性を有する方式であるといえる。

［発明が解決しようとする技術課題］ しかしながら、この方式は、基本的にＸ−Ｙア
ドレス方式であり、上記公報に記載されている素
子構造は、従来のMOS型撮像装置の各セルにバ
イポーラトランジスタ、SITトランジスタ等の増
幅素子を複合化したものを基本構成としている。
そのため、比較的複雑な構造をしており、高解像
度化の可能性を有しながらも、そのままでは高解
像度化には限界が存在する。

また以下に述べる点においても限界が存在して
いる。上記特開昭56−150878号公報、特開昭56−
157073号公報、特開昭56−165473号公報及び
「SIT（Static Injection Transistor）イメージセ
ンサへの応用、テレビジヨン学会技術報告（以下
TV学会誌と称する）」は、本願発明の発明者の
内一人が係つた従来技術の一代表例を示すもので
ある。

特開昭56−150878号公報、特開昭56−157073号
公報には、N⁺、P⁺、Ｉ（又はP^-、N^-）、N⁺領域
からなるフツク構造のP⁺領域に電荷を蓄積し、
接地電位との間でキヤパシタを形成しているN⁺
領域の電位をスイツチングトランジスタで読み出
す方式の構成が記載されている。

しかしながら、この構成では、P⁺領域に電荷
が蓄積されて生じる飽和電圧が小さくセル自体に
スイツチング作用を持たせられないために周辺回
路が複雑になる。

一方、特開昭56−165473号公報には、N⁺領域、
浮遊状態のP⁺領域、高抵抗領域及びパルス電圧
が印加される透明電極に接続されたN⁺領域とで
構成される、N⁺、P⁺、Ｉ（又はP^-、N^-）、N⁺領
域のフツク構造が示されている。そして浮遊状態
のN⁺領域は同時に読み出し用トランジスタの主
電極領域の一つとなつており、読み出し作動時に
はトランジスタがオンして正に帯電したN⁺領域
へ電子が流入してその電圧変化を信号として読み
出しを行う。

しかしながら、P⁺領域に電荷が蓄積されて生
じる飽和電圧が小さくセル自体にスイツチング作
用を持たせられないために周辺回路が複雑にな
る。

そして、TV学会誌には、ゲート蓄積型ホトセ
ルとベース蓄積型ホトセルとが示されている。こ
のうちゲート蓄積型ホトセルは、ゲートを浮遊状
態として絶縁膜を介したリフレツシユ線を介して
ゲート領域を予め所定の電圧に逆バイアスし、ソ
ース接地抵抗負荷の出力回路に読み出す構成であ
る。

しかしながら、この構成では、リセツト動作に
おいては、ゲートの電位変化を制限し、ゲート電
位を固定していない為にプロセス上ばらつきを持
つリセツト直前のゲート電位（初期ゲート電位）
のばらつきにより最終的にリセツトされるゲート
電位がばらつくからである。一方、ベース蓄積型
ホトセルは、N⁺、P⁺、N^-、N⁺ホトトランジス
タ構造を有しており、浮遊状態とされたベース
（P⁺）、パルス的に電圧が印加されるコレクタ
（N⁺）と、容量とスイツチングMOSFETとを含
むエミツタホロアの出力回路が接続されたエミツ
タ（N⁺）と、で構成されている。

しかしながら、この構成ではリフレツシユにお
いて、ゲート電位を固定していない為にプロセス
上ばらつきを持つリセツト直前のベース電位（初
期ベース電位）のばらつきに依存して最終的に到
達するベース電位がばらつく。従つて固定パター
ンノイズが大きい。

また、以上の従来技術とは別に、米国特許第
3624428号明細書や特公昭50−38531号公報にはベ
ースに絶縁膜を介して電極を設けたトランジスタ
にエミツタ接地抵抗負荷の出力回路を接続し、ベ
ースを逆バイアスにして蓄積動作を行い、該エミ
ツタ接地抵抗負荷の出力回路で電流読み出しを行
う構成が示されている。

しかし所詮、破壊型センサの電流読み出しであ
る為に直線性、残像特性が悪い。

［発明の目的］ 本発明の目的は、各セルに増幅機能を有するも
きわめて簡単な構造であり、将来の高解像度化に
も十分対処しうる新しい蓄積動作及びリフレツシ
ユ動作の改良された光電変換装置を提供すること
にある。

本発明の別の目的は、直線性の良好な高速読み
出しを行つても残像や固定パターンノイズがほと
んど問題とならないような優れた光電変換装置を
提供することにある。

更に本発明の他の目的は、製造プロセス上のば
らつきがあつたとしても固定パターンノイズがほ
とんど問題とならないリフレツシユ動作可能な光
電変換装置を提供することにある。

更に本発明の他の目的は、いかなる光量の光が
照射された時でも、残像やノイズやセル毎の出力
のばらつきがほとんど問題とならず、且つより一
層の高速リフレツシユのできる光電変換装置を提
供することにある。

かかる目的は、第一導電型の半導体からなる制
御電極領域と、前記第一導電型とは異なる第二導
電型の半導体からなり容量負荷を含む出力回路に
電気的に接続された第一の主電極領域と、第二導
電型の半導体からなる第二の主電極領域と、を有
し、光エネルギーを受けることにより生成される
キヤリアを前記制御電極領域に蓄積可能なトラン
ジスタと、 前記制御電極領域にキヤリアを蓄積するために
前記制御電極領域と前記第一の主電極領域との接
合部を逆方向にバイアスする為の手段と、 前記制御電極領域が逆方向にバイアスされる時
の該制御電極領域の電位の変化を制限する為の制
限手段と、 前記制御電極領域と前記第一の主電極領域との
接合部を順方向にバイアスし、出力信号の前記容
量負荷における電圧として読み出す為の読み出し
手段と、 を具備することを特徴とする光電変換装置により
達成される。

［作用］ 本発明によれば、蓄積動作時に制御電極領域の
電位を主電極領域の電位とは独立的に制御するこ
とができる。

蓄積時には、制御電極と出力回路に接続された
主電極領域との間の接合は、逆方向にバイアスさ
れた状態から電荷の蓄積とともに制御電極領域の
電位が主電極領域の電位まで変化する。したがつ
て、この時のバイアス電圧により飽和電圧が決定
されるので大きな飽和電圧を確保することができ
ることになり、セル自体にスイツチング作用を持
たせることができる。

また、この時の制御電極領域の電位変化が制限
されるので、リフレツシユ時には、低照度のセル
の制御電極領域の負電位が大きくならず、またリ
セツト後の制御電極領域の電位がリセツト直前の
制御電極領域の電位（初期電位）に依存し難くな
り良好なリフレツシユ動作が高速で行える。

［実施例］ 本発明による好適な実施態様例の概略を以下に
説明する。本発明の最も特徴的な構成は第１図に
示されているが、その詳細については後述するも
のとする。

まず、第２図及び第３図を参照すると、第２図
の符号３０で示されるようなトランジスタを含む
光電変換セルの第一の主電極領域（エミツタ）に
は出力回路が接続されている。この出力回路は垂
直ライン３８，３８′，３８″、水平シフトレジス
タ３９、MOSトランジスタ４０，４０′，４０″、
出力ライン４１、MOSトランジスタ４２、出力
トランジスタ４４、負荷抵抗４５等で構成され、
垂直ライン３８，３８′，３８″は各々容量負荷と
しての第３図の符号２１で示すCsのように配線
容量を有している。

また蓄積された電荷に基づき光電変換された信
号を読み出す為の読み出し手段として垂直シフト
レジスタ３２、バツフアMOSトランジスタ３３，
３３′，３３″、端子３４、水平ライン３１，３
１′，３１″が設けられた回路構成を採つている。

蓄積動作時には、エミツタは浮遊状態又は接地
をれ、第二の主電極領域（コレクタ）は正電位に
バイアスされる。また制御電極領域（ベース）は
エミツタに対して逆バイアス状態にされるが、こ
の時のベース電位を制御することにより飽和電圧
を決定できる。こうしてバイアス電圧を適宜設定
すればセル自体にスイツチング作用を持たせるこ
とができる。

読み出し動作時には、エミツタ浮遊状態にさ
れ、コレクタは正電位にバイアスされる。制御電
極領域は主電極領域とは独立的に読み出し手段に
よつてその電位が制御される。ここでベースをエ
ミツタに対して順方向にバイアスすると良好な直
線性を確保しつつ高速読み出しができる。この時
の動作を第３図を参照して説明する。読み出し時
には浮遊状態にあるエミツタ及び性の電位に保持
されているコレクタに対して、独立的に配線１０
より正の電圧V_Rを印加することでエミツタ電位
に対してベース電位を順方向にバイアスすること
により、エミツタベース接合部が順方向に深くバ
イアスされる。このようにして、エミツタ電位が
ベース電位、即ち光照射により発生した蓄積電圧
に等しくなるまで、電流が流れるのであるが、こ
のときに要する時間は、電圧V_Rの作用により一
層短縮され高速読み出しにおいても、優れた直線
性が確保できるのである。

リフレツシユ動作は以下のとおりである。

エミツタはスイツチ手段としてのMOSトラン
ジスタ４８，４８′，４８″によりアース記号をも
つて示される第１の基準電圧源に接続され接地さ
れる。このときコレクタは第２の基準電圧源に接
続、即ち正電位または接地電位にされる。ここで
コレクタが接地される場合を第４図に示してあ
る。このような状態において正電位V_RHなる電圧
を印加して制御電極領域としてのベースの電位を
制御することにより少なくともベース・エミツタ
間が順方向バイアスされてベース領域に蓄積され
たホールが流れ出したり、ベース領域内に電子が
流入したりして蓄積された電荷が消滅する。この
ような順バイアスを与える為の順バイアス手段と
してはMOSトランジスタ４８，４８′，４８″や
バツフアMOSトランジスタ３５，３５′，３５″、
端子３６，３７等を設けることで構成される。こ
の順バイアス手段によるリフレツシユパルス除去
後は上述したようにベースが逆極性、即ちベース
エミツタ接合部が逆方向にバイアスされるので、
この順バイアス手段は逆バイアス手段でもある。

また蓄積時のベース電位の制御は、第１図に示
されるような制御手段としてのダイオード２５５
によつて所定の電位にクランプされる。従つて、
低照射光量であつてもベースの負電位は大きくな
らず、エミツタを接地して順バイアスリフレツシ
ユを行う際に初期のベース電位に依存しにくくな
る。こうしてプロセス上ばらつきがあつても、ま
たいかなる照射光量であつても残像やノイズによ
る問題がより一層改善される。

以下に本発明の実施例を図面を用いて詳細に説
明する。

先ず、本発明の光電変換装置の説明に先立つ
て、本発明の光電変換装置を構成する光センサセ
ルの基本構造および動作について説明する。

第５図は、本発明に係る光電変換装置を構成す
る光センサセルの基本構造および動作を説明する
図である。

第５図ａは、光センサセルの平面図を、第５図
ｂは、第５図ａ平面図のAA′部分の断面図を、第
５図ｃは、それの等価回路をそれぞれ示す。な
お、各部位において第５図ａ，ｂ，ｃに共通する
ものについては同一の番号をつけている。

第５図では、整列配置方式の平面図を示した
が、水平方向解像度を高くするために、画素ずら
し方式（補間配置方式）にも配置できることはも
ちろんのことである。

この光センサセルは、第５図ａ，ｂに示すごと
く、 リン（Ｐ）、アンチモン（Sb）、ヒ素（As）等
の不純物をドープしてｎ型又はn⁺型とされたシ
リコン基板１の上に、通常PSG膜等で構成され
るパシベーシヨン膜２； シリコン酸化膜（SiO₂）より成る絶縁酸化膜
３； となり合う光センサセルとの間を電気的に絶縁
するためのSiO₂あるいはSi₃N₄等よりなる絶縁膜
又はポリシリコン膜等で構成される素子分離領域
４； エピタキシヤル技術等で形成される不純物濃度
の低いn^-領域５； その上の例えば不純物拡散技術又はイオン注入
技術を用いてボロン(B)等の不純物をドープしたバ
イポーラトランジスタのベースとなるｐ領域６； 不純物拡散技術、イオン注入技術等で形成され
るバイポーラトランジスタのエミツタとなるn⁺
領域７； 信号を外部へ読出すための、例えばアルミニウ
ム（Al）、Al−Si、Al−Cu−Si等の導電材料で
形成される配線８； 絶縁膜３を通して、浮遊状態になされたｐ領域
６にパルスを印加するための電極９； それの配線１０； 基板１の裏面にオーミツクコンタクトをとるた
めに不純物拡散技術等で形成された不純物濃度の
高いn⁺領域１１； 基板の電位を与える、すなわちバイポーラトラ
ンジスタのコレクタ電位を与えるためのアルミニ
ウム等の導電材料で形成される電極１２； より構成されている。

なお、第５図ａの１９はn⁺領域７と配線８の
接続をとるためのコンタクト部分である。又配線
８および配線１０の交互する部分はいわゆる２層
配線となつており、SiO₂等の絶縁材料で形成さ
れる絶縁領域で、それぞれ互いに絶縁されてい
る。すなわち、金属の２層配線構造になつてい
る。

第５図ｃの等価回路のコンデンサCox１３は電
極９、絶縁膜３、ｐ領域６のMOS構造より構成
され、又バイポーラトランジスタ１４はエミツタ
としてのn⁺領域７、ベースとしてのｐ領域６、
不純物濃度の小さいn^-領域５、コレクタとして
のｎ又はn⁺領域１の各部分より構成されている。
これらの図面か明らかなように、ｐ領域６は浮遊
領域になされている。

第５図ｃの第２の等価回路は、バイポーラトラ
ンジスタ１４をベース・エミツタの接合容量Cbe
１５、ベース・エミツタのpn接合ダイオードDbe
１６、ベース・コレクタの接合容量Cbc１７、ベ
ース・コレクタのpn接合ダイオードDbc１８を用
いて表現したものである。

ここでは、本来等価回路図として、pn接合ダ
イオードDbe１６及びpn接合ダイオードDbc１８
と並列に記されるべき２つの異なる向きの電流源
を示す記号は省略してある。

以下、光センサセルの基本動作を第６図を用い
て説明する。

この光センサセルの基本動作は、光入射による
電荷蓄積動作、読出し動作およびリフレツシユ動
作より構成される。

まず、電荷蓄積動作について説明する。

電荷蓄積動作においては、例えばエミツタは、
配線８を通して接地され、コレクタは配線１２を
通して正電位にバイアスされている。またベース
は、あらかじめコンデンサCox１３に、配線１０
を通して正のパルス電圧を印加することにより負
電位、すなわち、エミツタ７に対して逆バイアス
状態にされているものとする。このCox１３にパ
ルスを印加してベース６を負電位にバイアスする
動作については、後にリフレツシユ動作の説明の
とき、くわしく説明する。

この状態において、第５図に示す様に光センサ
セルの表側から光２０が入射してくると、半導体
内においてエレクトロン・ホール対が発生する。
この内、エレクトロンは、ｎ領域１が正電位にバ
イアスされているのでｎ領域１側に流れだしてい
つてしまうが、ホールはｐ領域６にどんどん蓄積
されていく。このホールのｐ領域への蓄積により
ｐ領域６の電位は次第に正電位に向かつて変化し
ていく。

第５図ａ，ｂ，でも各センサセルの受光面下面
は、ほとんどｐ領域で占められており、一部n⁺
領域７となつている。当然のことながら、光によ
り励起されるエレクトロン・ホール対濃度は表面
に近い程大きい。このためｐ領域６中にも多くの
エレクトロン・ホール対が光により励起される。
ｐ領域中に光励起されたエレクトロンが再結合す
ることなくｐ領域６からただちに流れ出て、ｎ領
域に吸収されるような構造にしておけば、ｐ領域
６で励起されたホールはそのまま蓄積されて、ｐ
領域６を正電位方向に変化させる。ｐ領域６の不
純物濃度が均一になされている場合には、光で励
起されたエレクトロンは拡散で、ｐ領域６とn^-
領域５とのpn^-接合部まで流れ、その後はn^-領域
に加わつている強い電界によるドリフトでｎコレ
クタ領域１に吸収される。もちろん、ｐ領域６内
の電子の走行を拡散だけで行つてもよいわけであ
るが、表面から内部に行くほどｐベースの不純物
濃度が減少するように構成しておけば、この不純
物濃度差により、ベース内に内部から表面に向う
電界Ed、 Ed＝１／W_B・kT／ｑ・lnN_AS／N_Ai が発生する。ここで、W_Bはｐ領域６の光入射側
表面からの深さ、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対
温度、ｑは単位電荷、N_ASはｐベース領域６の表
面不順物濃度、N_Aiはｐ領域６のn^-高抵抗領域５
との界面における不順物濃度である。

ここで、N_AS／N_Ai＞３とすれば、ｐ領域６内
の電子の走行は、拡散よりはドリフトにより行わ
れるようになる。すなわち、ｐ領域６内に光によ
り励起されるキヤリアを信号として有効に動作さ
せるためには、ｐ領域６の不純物濃度は光入射側
表面から内部に向つて減少しているようになつて
いることが望ましい。拡散でｐ領域６を形成すれ
ば、その不純物濃度は光入射側表面にくらべ内部
に行くほど減少している。

センサセルの受光面下の一部は、n⁺領域７に
より占られている。n⁺領域７の深さは、通常0.2
〜0.3μｍ程度、あるいはそれ以下に設計されるか
ら、n⁺領域７で吸収される光の量は、もともと
あまり多くはないのでそれ程問題はない。ただ、
短波長側の光、特に青色光に対しては、n⁺領域
７の存在は感度低下の原因になる。n⁺領域７の
不順物濃度は通常１×10²⁰cm^-3程度あるいはそれ
以上に設計される。こうした高濃度に不純物がド
ープされたn⁺領域７におけるホールの拡散領域
は0.15〜0.2μｍ程度である。したがつて、n⁺領域
７内で光励起されたホールを有効にｐ領域６に流
し込むには、n⁺領域７も光入射面から内部に向
つて不順物濃度が減少する構造になつていること
が望ましい。n⁺領域７の不純物濃度分布が上記
の様になつていれば、光入射側表面から内部に向
う強いドリフト電界が発生して、n⁺領域７に光
励起されたホールはドリフトによりただちにｐ領
域６に流れ込む。n⁺領域７、ｐ領域６の不純物
濃度がいずれも光入射側表面から内部に向つて減
少するように構成されていれば、センサセルの光
入射側表面側に存在するn⁺領域７、ｐ領域６に
おいて光励起されたキヤリアはすべて光信号とし
て有効に働くのである。As又はＰを高濃度にド
ープしたシリコン酸化膜あるいはポリシリコン膜
からの不純物拡散により、このn⁺領域７を形成
すると、上記に述べたような望ましい不純物傾斜
をもつn⁺領域を得ることが可能である。

最終的には、ホールの蓄積によりベース電位は
エミツタ電位まで変化し、この場合は接地電位ま
で変化して、そこでクリツプされることになる。
より厳密に言うと、ベース・エミツタ間が順方向
に深くバイアスされて、ベースに蓄積されたホー
ルがエミツタに流出し始める電圧でクリツプされ
る。つまり、この場合の光センサセルの飽和電位
は、最初にｐ領域６を負電位にバイアスしたとき
のバイアス電位と接地電位との電位差で略々与え
られるわけである。n⁺領域７が接地されず、浮
遊状態において光入力によつて発生した電荷の蓄
積を行う場合には、ｐ領域６はｎ領域１と略々同
電位まで電荷を蓄積することができる。

以上は電荷蓄積動作の定性的な概略説明である
が、以下に少し具体的かつ定量的に説明する。

この光センサセルの分光感度分布は次式で与え
られる。

Ｓ（λ）＝λ／1.24・exp（−αx）×｛１−
exp（−αy）｝・Ｔ〔Ａ／Ｗ〕 但し、λは光の波長〔μｍ〕、αはシリコン結
晶中で光の減衰係数〔μｍ^-1〕、ｘは半導体表面
における、再結合損失を起こし感度に寄与しない
“dead layer”（不感領域）の厚さ〔μｍ〕、ｙは
エピタキシヤル層の厚さ〔μｍ〕、Ｔは透過率す
なわち、入射してくる光量に対して反射等を考慮
して有効に半導体中に入射する光量の割合をそれ
ぞれ示している。この光センサセルの分光感度Ｓ
（λ）および放射照度Ee（λ）を用いて光電流Ip
は次式で計算される。

Ip＝∫^∞ ₀Ｓ（λ）・Ee（λ） ・dλ〔μA／cm²〕 但し、放射照度Ee（λ）〔μW・cm^-2・ｎｍ^-1〕
は次式で与えられる。

Ee（λ）＝E_v・Ｐ（λ）6.80∫^∞ ₀Ｖ（
λ）Ｐ（λ）・dλ〔μW・cm^-2・ｎｍ^-1〕 但しE_vはセンサの受光面の照度〔Lux〕、Ｐ
（λ）はセンサの受光面に入射している光の分光
分布、Ｖ（λ）は人間の目の比視感度である。

これらの式を用いると、エピ厚の層4μｍをも
つ光センサセルでは、Ａ光源（2854°K）で照射
され、センサ受光面照度が１〔Lux〕のとき、約
280nA／cm^-2の光電流が流れ、入射してくるフオ
トンの数あるいは発生するエレクトロン・ホール
対の数は1.8×10¹²ケ／cm²・sec程度である。

又、この時、光により励起されたホールがベー
スに蓄積することにより発生する電位VpはVp＝
Ｑ／Ｃで与えられる。Ｑは蓄積されるホールの電
荷量であり、ＣはCbe15とCbe17を加算した接合
容量である。

今、n⁺領域７の不純物濃度を10²⁰cm^-3、ｐ領域
６の不純物濃度を５×10¹⁶cm^-3、n^-領域５の不純
物濃度を10¹³cm^-3、n⁺領域７の面積を16μm²、ｐ
領域６の面積を64μm²、n^-領域５の厚さを3μｍに
したときの接合容量は、約0.014pF位になり、一
方、ｐ領域６に蓄積されるホールの個数は、蓄積
時間１／60sec、有効受光面積、すなわちｐ領域
６の面積から電極８および９の面積を引いた面積
を56μm²程度とすると、1.7×10⁴ケとなる。従つ
て光入射により発生する電位Vpは190ｍＶ位にな
る。

ここで注目すべきことは、高解像度化され、セ
ルサイズが縮小化されていつた時に、一つの光セ
ンサセルあたりに入射する光量が減少し、蓄積電
荷量Ｑが共に減少していくが、セルの縮小化に伴
ない接合容量もセルサイズに比例して減少してい
くので、光入射により発生する電位Vpはほぼ一
定に保たれるということである。これは本発明に
おける光センサセルが第５図に示すごとく、きわ
めて簡単な構造をしており有効受光面がきわめて
大きくとれる可能性を有しているからである。

インターラインタイプのCCDの場合と比較し
て本発明における光電変換装置が有利な理由の一
つはここにあり、高解像度化にともない、インタ
ーラインタイプのCCD型撮像装置では、転送す
る電荷量を確保しようとすると転送部の面積が相
対的に大きくなり、このため有効受光面が減少す
るので、感度、すなわち光入射による発生電圧が
減少してしまうことになる。また、インターライ
ンタイプのCCD型撮像装置では、飽和電圧が転
送部の大きさにより制限され、どんどん低下して
いつてしまうのに対し、本発明における光センサ
セルでは、先にも書いた様に、最初にｐ領域６を
不電位にバイアスした時のバイアス電圧により飽
和電圧は決まるわけであり、大きな飽和電圧を確
保することができる。

以上の様にしてｐ領域６に蓄積された電荷によ
り発生した電圧を外部へ読出す動作について次に
説明する。

読出し動作状態では、エミツタ、配線８は浮遊
状態に、コレクタは正電位Vccに保持される。

第３図に等価回路を示す。

ここでも、本来等価回路として、pn接合ダイ
オードDbe１６及びpn接合ダイオードDbc１８と
並列に記されるべき２つの異なる向きの電流源を
示す記号は省略してある。

今、光を照射する前に、ベース６を負電位にバ
イアスした時の電位を−V_Bとし、光照射により
発生した蓄積電圧をV_Pとすると、ベース電位は、
−V_B＋V_Pなる電位になつている。この状態で配
線１０を通して電極９に読出し用の正の電圧V_R
を印加すると、この正の電位V_Rは酸化膜容量
Cox13とベース・エミツタ間接合容量Cbe15、ベ
ース・コレクタ間接合容量Cbc7により容量分割
され、ベースには電圧 Cox／Cox＋Cbe＋Cbc・V_R が加算される。従つてベース電位は −V_B＋V_P＋Cox／Cox＋Cbe＋Cbc・V_R となる。ここで、 −V_B＋Cox／Cox＋Cbe＋Cbc・V_R＝０ となる条件が成立するようにしておくと、ベース
電位は光照射により発生した蓄積電圧V_Pそのも
のとなる。このようにしてエミツタ電位に対して
ベース電位が正方向にバイアスされると、エレク
トロンは、エミツタからベースに注入され、コレ
クタ電位が正電位になつているので、ドリフト電
界により加速されて、コレクタに到達する。この
時に流れる電流は、次式で与えられる。

ｉ＝A_j・ｑ・Dn・n_pe／w_B（１＋lnN_Ae／N_Ac）×
｛expｑ／kT（V_P−V_e）−１｝ 但しA_jはベース・エミツタ間の接合面積、ｑ
は単位電荷量（1.6×10^-19クーロン）、D_oはベー
ス中におけるエレクトロンの拡散定数、n_peはｐ
ベースのエミツタ端における少数キヤリアとして
のエレクトロン濃度、W_Bはベース幅、N_Aeはベ
ースのエミツタ単におけるアクセプタ濃度、N_Ac
はベースのコレクタ端におけるアクセプタ濃度、
ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度、V_eはエミ
ツタ電位である。

この電流は、エミツタ電位V_eがベース電位、
すなわちここでは光照射により発生した蓄積電圧
V_pに等しくなるまで流れることは上式から明ら
かである。この時エミツタ電位V_eの時間的変化
は次式で計算される。

Cs・dV_e／dt＝ｉ＝A_j・ｑ・Dn・n_pe／W_B（１＋ln
N_Ae／N_Ac）×｛expｑ／kT（V_P−V_e）−１｝ 但し、ここで配線容量Csはエミツタに接続さ
れている配線８のもつ容量２１である。

第６図は、上式を用いて計算したエミツタ電位
の時間変化の一例を示している。

第６図によればエミツタ電位がベース電位に等
しくなるためには、約１秒位を要することにな
る。これはエミツタ電位V_eV_pがに近くなるとあ
まり電流が流れなくなることに起因しているわけ
である。したがつて、これを解決する手段は、先
に電極９に正電圧V_Rを印加するときに、 −V_B＋Cox／Cox＋Cbe＋Cbc・V_R＝０ なる条件を設定したが、この条件の代りに −V_B＋Cox／Cox＋Cbe＋Cbc・V_R＝V_Bias なる条件を入れ、ベース電位をV_Biasだけ、余分
に順方向にバイアスしてやる方法が考えられる。
この時に流れる電流は次式で与えられる。

ｉ＝A_j・ｑ・Dn・n_pe／W_B（１＋lnN_Ae／N_Ac）×
｛expｑ／KT（V_P＋V_Bias−V_e）−１｝ 第７図ａに、V_Bias＝0.6Vとした場合、ある一
定時間の後、電極９に印加していたV_Rをゼロボ
ルトにもどし、流れる電流を停止させたときの蓄
積電圧V_Pに対する、読出し電圧すなわちエミツ
タ電位の関係を示す。但し、第７図ａでは、読み
出し電圧はバイアス電圧成分による読出し時間に
依存する一定の電位が必ず加算されてくるがその
ゲタ分をさし引いた値をプロツトしている。電極
９に印加している正電圧V_Rをゼロボルトにもど
した時には、印加したときとは逆に −Cox／Cox＋Cbe＋Cbc・V_R なる電圧がベース電位に加算されるので、ベース
電位は、正電圧V_Rを印加する前の状態、すなわ
ち、−V_Bになり、エミツタに対し逆バイアスされ
るので電流の流れが停止するわけである。第７図
ａによれば100ns程度以上の読出し時間（すなわ
ちV_Rを電極９に印加している時間）をとれば、
蓄積電圧V_Pと読出し電圧は４桁程度の範囲にわ
たつて直線性は確保され、高速の読出しが可能で
あることを示している。第７図ａで、45°の線は
読出しに十分の時間をかけた場合の結果であり、
上記の計算例では、配線８の容量Csを4pFとして
いるが、これはCbe＋Cbcの接合容量の0.014pFと
比較して約300倍も大きいにもかかわらず、ｐ領
域６に発生した蓄積電圧V_Pが何らの減衰も受け
ず、かつ、バイアス電圧の効果により、きわめて
高速に読出されていることを第７図ａは示してい
る。これは上記構成に係る光センサセルのもつ増
幅機能、すなわち電荷増幅機能が有効に働らいて
いるからである。

これに対して従来のMOS型撮像装置では、蓄
積電圧V_Pは、このような読出し過程において配
線容量Csの影響でCj・V_P／（Cj＋Cs）（但しCjは
MOS型撮像装置の受光部のpn接合容量）となり、
２桁位読出し電圧値が下がつてしまうという欠点
を有していた。このためMOS型撮像装置では、
外部へ読出すためのスイツチングMOSトランジ
スタの寄生容量のばらつきによる固定パターン雑
音、あるいは配線容量すなわち出力容量が大きい
ことにより発生するランダム雑音が大きく、Ｓ／
Ｎ比がとれないという問題があつたが、第５図
ａ，ｂ，ｃで示す構成の光センサセルでは、ｐ領
域６に発生した蓄積電圧そのものが外部に読出さ
れるわけであり、この電圧はかなり大きいため固
定パターン雑音、出力容量に起因するランダム雑
音が相対的に小さくなり、きわめてＳ／Ｎ比の良
い信号を得ることが可能である。

先に、バイアス電圧V_Biasを0.6Vに設定したと
き、４桁程度の直線性が100nsec程度の高速読出
し時間で得られることを示したが、この直線性お
よび読出し時間とバイアス電圧V_Biasの関係を計
算した結果をさらにくわしく、第７図ｂに示す。

第７図ｂにおいて、横軸はバイアス電圧V_Bias
であり、また、縦軸は読出し時間をとつている。
またパラメータは、蓄積電圧が１ｍＶのときに、
読出し電圧が１ｍＶの80％、90％、95％、98％に
なるまでの時間依存性を示している。第７図ａに
示される様に、蓄積電圧１ｍＶにおいて、それぞ
れ80％、90％、95％、98％になつている時は、そ
れ以上の蓄積電圧では、さらに良い値を示してい
ることは明らかである。

この第７図ｂによれば、バイアス電圧V_Biasが
0.6Vでは、読出し電圧が蓄積電圧の80％になる
のは読出し時間が0.12μs、90％になるのは
0.27μs、95％になるのは0.54μs、98％になるのは
1.4μsであるのがわかる。また、バイアス電圧
V_Biasを0.6Vより大きくすれば、さらに高速の読
出しが可能であることを示している。この様に、
撮像装置の全体の設計から読出し時間および必要
な直線性が決定されると、必要とされるバイアス
電圧V_Biasが第７図ｂのグラフを用いることによ
り決定することができる。

上記構成に係る光センサセルのもう一つの利点
は、ｐ領域６に蓄積されたホールはｐ領域６にお
けるエレクトロンとホールの再結合確率がきわめ
て小さいことから非破壊的に読出し可能なことで
ある。すなわち読出し時に電極９に印加していた
電圧V_Rをゼロボルトにもどした時、ｐ領域６の
電位は電圧V_Rを引火する前の逆バイアス状態に
なり、光照射により発生した蓄積電圧V_Pは、新
しく光が照射されない限り、そのまま保存される
わけである。このことは、上記構成に係る光セン
サセルを光電変換装置として構成したときに、シ
ステム動作上、新しい機能を提供することができ
ることを意味する。

このｐ領域６に蓄積電圧V_Pを保持できる時間
は、きわめて長く、最大の保持時間は、むしろ、
接合の空乏層中において熱的に発生する暗電流に
よつて制限を受ける。すなわち、この熱的に発生
する暗電流により光センサセルが飽和してしまう
からである。しかしながら、上記構成に係る光セ
ンサセルでは、空乏層の広がつている領域は、低
不純物濃度領域であるn^-領域５であり、このn^-
領域５は10¹²cm^-3〜10¹⁴cm^-3程度と、きわめて不
純物濃度が低いため、その結晶性が良好であり、
MOS型、CCD型撮像装置に比較して熱的に発生
するエレクトロン・ホール対は少ない。このた
め、暗電流は、他の従来の装置に比較して小さ
い。すなわち、上記構成に係る光センサセルは本
質的に暗電流雑音の小さい構造をしているわけで
ある。

次いでｐ領域６に蓄積された電荷をリフレツシ
ユする動作について説明する。

上記構成に係る光センサセルでは、すでに述べ
たごとく、ｐ領域６に蓄積された電荷は、読出し
動作では消滅しない。このため新しい光情報を入
力するためには、前に蓄積されていた電荷を消滅
させるためのリフレツシユ動作が必要である。ま
た同時に、浮遊状態になされているｐ領域６の電
位を所定の負電圧に帯電させておく必要がある。

上記構成に係る光センサセルでは、リフレツシ
ユ動作も読出し動作と同様、配線１０を通して電
極９に正電圧を印加することにより行う。このと
き、配線８を通してエミツタを接地する。コレク
タは、電極１２を通して接地又は正電位にしてお
く。第４図にリフレツシユ動作の等価回路を示
す。但しコレクタ側を接地した状態の例を示して
いる。

この状態で正電圧V_RHなる電圧が電極９に印加
されると、ベース２２には、酸化膜容量Cox13、
ベース・エミツタ間接合容量Cbe15、ベース・コ
レクタ間接合容量Cbc17の容量分割により、 Cox／Cox＋Cbe＋Cbc・V_RH なる電圧が、前の読出し動作のときと同様瞬時的
にかかる。この電圧により、ベース・エミツタ間
接合ダイオードDbe16およびベース・コレクタ間
接合ダイオードDbc18は順方向バイアスされて導
通状態となり、電流が流れ始め、ベース電位は次
第に低下していく。

この時、浮遊状態にあるベースの電位Ｖの変化
は近似的に次式で表わされる。

（Cbe＋Cbc）dV／dt＝−（i₁＋i₂） 但し、 i₁＝Ab（qD_pp_oe／Lp＋qD_on_pe／W_B） ×｛exp（ｑ／kTＶ）−１｝ i₂＝AeqD_on_pe／W_B×｛exp（ｑ／kTＶ）−１｝ i₁はダイオードDbcを流れる電流、i₂はダイオ
ードDbeを流れる電流である。A_bはベース面積、
Aeはエミツタ面積、Dpはコレクタ中におけるホ
ールの拡散定数、p_oeはコレクタ中における熱平
衡状態のホール濃度、Lpはコレクタ中における
ホールの平均自由行程、n_peはベース中における
熱平衡状態でのエレクトロン濃度である。i₂で、
ベース側からエミツタへのホール注入による電流
は、エミツタの不順物濃度がベースの不純物濃度
にくらべて充分高いので、無視できる。

上に示した式は、段階接合近似のものであり実
際のデバイスでは段階接合からはずれており、又
ベースの厚さが薄く、かつ複雑な濃度分布を有し
ているので厳密なものではないが、リフレツシユ
動作をかなりの近似で説明可能である。

上式中のベース・コレクタ間に流れる電流i₁の
内、ｑ・Dp・p_oe／Lpはホールによる電流、すな
わちベースからホールがコレクタ側へ流れだす成
分を示している。このホールによる電流が流れや
すい様に上記構成に係る光センサセルでは、コレ
クタの不純物濃度は、通常のバイポーラトランジ
スタに比較して少し低めに設計される。

この式を用いて計算した、ベース電位の時間依
存性の一例を第８図に示す。横軸は、リフレツシ
ユ電圧V_RHが電極９に印加された瞬間からの時間
経過すなわちリフレツシユ時間を、縦軸は、ベー
ス電位をそれぞれ示す。また、ベースの初期電位
をパラメータにしている。ベースの初期電位と
は、リフレツシユ電圧V_RHが加わつた瞬間に、浮
遊状態にあるベースが示す電位であり、V_RH、
Cox、Cbe、Cbc及びベースに蓄積されている電
荷によつてきまる。

この第８図をみれば、ベースの電位は初期電位
によらず、ある時間経過後には必ず、片対数グラ
フ上で一つの直線にしたがつて下がつていく。

第８図ｂに、リフレツシユ時間に対するベース
電位変化の実験値を示す。第８図ａに示した計算
例に比較して、この実験で用いたテストデバイス
は、デイメンシヨンがかなり大きいため、計算例
とはその絶対値は一致しないが、リフレツシユ時
間に対するベース電位変化が片対数グラフ上で直
線的に変化していることが実証されている。この
実験例ではコレクタおよびエミツタの両者を接地
したときの値を示している。

今、光照射による蓄積電圧V_Pの最大値を0.4
〔Ｖ〕、リフレツシユ電圧V_RHによりベースに印加
される電圧Ｖを0.4〔Ｖ〕とすると、第８図に示す
ごとく初期ベース電位の最大値は0.8〔Ｖ〕とな
り、リフレツシユ電圧印加後10^-15〔sec〕後には
直線にのつてベース電位が下がり始め、10^-5
〔sec〕後には、光があたらなかつた時、すなわち
初期ベース電位が0.4〔Ｖ〕のときの電位変化と一
致する。

ｐ領域６が、MOSキヤパシタCoxを通して正
電圧をある時間印加し、その正電圧を除去すると
負電位に帯電する仕方には、２通りの仕方があ
る。一つは、ｐ領域６から正電荷を持つホール
が、主として接地状態にあるｎ領域１に流れ出す
ことによつて、負電荷が蓄積される動作である。
ｐ領域６からホールが、ｎ領域１に一方的に流
れ、ｎ領域１の電子があまりｐ領域６内に流れ込
まないようにするためには、ｐ領域６の不純物密
度をｎ領域１の不純物密度より高くしておけばよ
い。一方、n⁺領域７やｎ領域１からの電子が、
ｐ領域６に流れ込み、ホールと再結合することに
よつて、ｐ領域６に負電荷が蓄積する動作も行え
る。この場合には、ｎ領域１の不純物密度はｐ領
域６より高くなされている。ｐ領域６からホール
が流出することによつて、負電荷が蓄積する動作
の方が、ｐ領域６ベースに電子が流れ込んでホー
ルと再結合することにより負電荷が蓄積する動作
よりはるかに速い。しかし、これまでの実験によ
れば、電子をｐ領域６に流し込むリフレツシユ動
作でも、光電変換装置の動作に対しては、十分に
速い時間応答を示すことが確認されている。

上記構成に係る光センサセルをXY方向に多数
ならべて光電変換装置を構成したとき、画像によ
り各センサセルで、蓄積電圧V_pは、上記の例で
は０〜0.4〔Ｖ〕の間でばらついているが、リフレ
ツシユ電圧V_RH印加後10^-5〔sec〕には、全てのセ
ンサセルのベースには約0.3〔Ｖ〕程度の一定電圧
は残るものの、画像による蓄積電圧V_pの変化分
は全て消えてしまうことがわかる。すなわち、上
記構成に係る光センサセルによる光電変換装置で
は、リフレツシユ動作により全てのセンサセルの
ベース電位をゼロボルトまで持つていく完全リフ
レツシユモードと（このときは第８図ａの例では
10〔sec〕を要する）、ベース電位にはある一定電
圧は残るものの蓄積電圧V_pによる変動成分が消
えてしまう過渡的リフレツシユモードの二つが存
在するわけである（このときは第８図ａの例で
は、10〔μsec〕〜10〔sec〕のリフレツシユパル
ス）。以上の例では、リフレツシユ電圧V_RHによ
りベースに印加される電圧V_Aを0.4〔Ｖ〕とした
が、この電圧V_Aを0.6〔Ｖ〕とすれば、上記、過
渡的リフレツシユモードは、第８図によれば、１
〔nsec〕でおこり、きわめて高速にリフレツシユ
することができる。完全リフレツシユモードで動
作させるか、過渡的リフレツシユモードで動作さ
せるかの選択は光電変換装置の使用目的によつて
決定される。

この過渡的リフレツシユモードにおいてベース
に残る電圧V_Kとすると、リフレツシユ電圧V_RHを
印加後、V_RHをゼロボルトにもどす瞬間の過渡的
状態において、 −Cox／Cox＋Cbe＋Cbc・V_RH なる負電圧がベースに加算されるので、リフレツ
シユパルスによるリフレツシユ動作後のベース電
位は V_K−Cox／Cox＋Cbe＋Cbc・V_RH となり、ベースはエミツタに対して逆バイアス状
態になる。

先に光により励起されたキヤリアを蓄積する蓄
積動作のとき、蓄積状態ではベースは逆バイアス
状態で行われるという説明をしたが、このリフレ
ツシユ動作により、リフレツシユおよびベースを
逆バイアス状態に持つていくことの２つの動作が
同時に行われるわけである。

第８図ｃにリフレツシユ電圧V_RHに対するリフ
レツシユ動作後のベース電位 V_K−Cox／Cox＋Cbe＋Cbc・V_RH の変化の実験値を示す。パラメータとしてCoxの
値を5pFから100pFまでとつている。丸印は実験
値であり、実線は V_K−Cox／Cox＋Cbe＋Cbc・V_RH より計算される計算値を示している。このとき
V_K＝0.52Vであり、また、Cbc＋Cbe＝4pFであ
る。但し観測用オシロスコープのプローグ容量
13pFがCbc＋Cbeに並列に接続されている。この
様に、計算値と実験値は完全に一致しており、リ
フレツシユ動作が実験的にも確認されている。

以上のリフレツシユ動作においては、第４図に
示す様に、コレクタを接地したときの例について
説明したが、コレクタを正電位にした状態で行う
ことも可能である。このときは、ベース・コレク
タ間接合ダイオードDbc１８が、リフレツシユパ
ルスが印加されても、このリフレツシユパルスに
よりベースに印加される電位よりも、コレクタに
印加されている正電位の方が大きいと非導通状態
のままなので、電流はベース・エミツタ間接合ダ
イオードDbe１６だけを通して流れる。このた
め、ベース電位の低下は、コレクタを接地した時
より相対的にゆつくりしたものになるが、基本的
には、前に説明したのと、まつたく同様な高速リ
フレツシユ動作が行われるわけである。

すなわち第８図ａのリフレツシユ時間に対する
ベース電位の関係は、第８図ａのベース電位が低
下する時の斜めの直線が右側の方、つまり、より
時間の要する方向へシフトすることになる。した
がつて、コレクタを接地した時と同じリフレツシ
ユ電圧V_RHを用いると、リフレツシユに時間を要
することになるが、リフレツシユ電圧V_RHをわず
か高めてやればコレクタを接地した時と同様、高
速のリフレツシユ動作が可能である。

以上が光入射による電荷蓄積動作、読出し動
作、リフレツシユ動作よりなる上記構成に係る光
センサセルの基本動作の説明である。

以上説明したごとく、上記構成に係る光センサ
セルの基本構造は、すでにあげた特開昭56−
150878号公報、特開昭56−157073号公報、特開昭
56−165473号公報と比較してきわめて簡単な構造
であり、将来の高解像度化に十分対応できるとと
もに、それらのもつ優れた特徴である増幅機能か
らくる低雑音、高出力、広ダイナミツクレンジ、
非破壊読出し等のメリツトをそのまま保存してい
る。

次に、以上説明した構成に係る光センサセルを
二次元に配列して構成した本発明の光電変換装置
の一構成例について図面を用いて説明する。

基本光センサセル構造を二次元的に３×３に配
列した光電変換装置の回路構成図を第２図に示
す。

すでに説明した点線で囲まれた基本光センサセ
ル３０（この時バイポーラトランジスタのコレク
タは基板及び基板電極に接続されることを示して
いる。）、読出しパルスおよびリフレツシユパルス
を印加するための水平ライン３１，３１′，３
１″、読出しパルスを発生させるための垂直シフ
トレジスタ３２、垂直シフトレジスタ３２と水平
ライン３１，３１′，３１″の間のバツフアMOS
トランジスタ３３，３３′，３３″のゲートにパル
スを印加するための端子３４、リフレツシユパル
スを印加するためのバツフアMOSトランジスタ
３５，３５′，３５″、それのゲートにパルスを印
加するための端子３６、リフレツシユパルスを印
加するための端子３７、基本光センサセル３０か
ら蓄積電圧を読出すための垂直ライン３８，３
８′，３８″、各垂直ラインを選択するためのパル
スを発生する水平シフトレジスタ３９、各垂直ラ
インを開閉するためのゲート用MOSトランジス
タ４０，４０′，４０″、蓄積電圧をアンプ部に読
出すための出力ライン４１、読出し後に、出力ラ
インに蓄積した電荷をリフレツシユするための
MOSトランジスタ４２、MOSトランジスタ４２
へリフレツシユパルスを印加するための端子４
３、出力信号を増幅するためのバイポーラ、
MOS、FET、Ｊ−FET等のトランジスタ４４、
負荷抵抗４５、トランジスタと電源を接続するた
めの端子４６、トランジスタの出力端子４７、読
出し動作において垂直ライン４０，４０′，４
０″に蓄積された電荷をリフレツシユするための
MOSトランジスタ４８，４８′，４８″、および
MOSトランジスタ４８，４８′，４８″のゲート
にパルスを印加するための端子４９によりこの光
電変換装置は構成されている。

この光電変換装置の動作について第２図および
第９図ａに示すパルスタイミング図を用いて説明
する。

第９図ａにおいて、区間６１はリフレツシユ動
作、区間６２は蓄積動作、区間６３は読出し動作
にそれぞれ対応している。

時刻t₁において、基板電位、すなわち光センサ
セル部のコレクタ電位６４は、接地電位または正
電位に保たれるが、第９図ａでは接地電位に保た
れているものを示している。接地電位または正電
位のいずれにしても、すでに説明した様に、リフ
レツシユに要する時間が異なつてくるだけであ
り、基本動作に変化はない。端子４９の電位６５
はhigh状態であり、MOSトランジスタ４８，４
８′，４８″は導通状態に保たれ、各光センサセル
は、垂直ライン３８，３８′，３８″を通して接地
されている。また端子３６には、波形６６のごと
くバツフアMOSトランジスタが導通する電圧が
印加されており、全画面一括リフレツシユ用バツ
フアMOSトランジスタ３５，３５′，３５″は導
通状態となつている。この状態で端子３７に波形
６７のごとくパルスが印加されると、水平ライン
３１，３１′，３１″を通して各光センサセルのベ
ースに電圧がかかり、すでに説明した様に、リフ
レツシユ動作に入り、それ以前に蓄積されていた
電荷が、完全リフレツシユモード又は過渡的リフ
レツシユモードにしたがつてリフレツシユされ
る。完全リフレツシユモードになるか又は過渡的
リフレツシユモードになるかは波形６７のパルス
幅により決定されるわけである。

t₂時刻において、すでに説明したごとく、各光
センサセルのトランジスタのベースはエミツタに
対して逆バイアス状態となり、次の蓄積区間６２
へ移る。このリフレツシユ区間６１においては、
図に示すように、他の印加パルスは全てlow状態
に保たれている。

蓄積動作区間６２においては、基板電圧、すな
わちトランジスタのコレクタ電位波形６４は正電
位にする。これにより光照射により発生したエレ
クトロン・ホール対のうちエレクトロンを、コレ
クタ側へ早く流してしまうことができる。しか
し、このコレクタ電位を正電位に保つことは、ベ
ースをエミツタに対して逆方向にバイアス状態、
すなわち負電位にして撮像しているので必須条件
ではなく、接地電位あるいは若干負電位状態にし
ても基本的な蓄積動作に変化はない。

蓄積動作状態においては、MOSトランジスタ
４８，４８′，４８″のゲート端子４９の電位６５
は、リフレツシユ区間と同様、highに保たれ、各
MOSトランジスタは導通状態に保たれる。この
ため、各光センサセルのエミツタは垂直ライン３
８，３８′，３８″を通して接地されている。強い
光の照射により、ベースにホールが蓄積され、飽
和してくると、すなわちベース電位がエミツタ電
位（接地電位）に対して順方向バイアス状態にな
つてくると、ホールは垂直ライン３８，３８′，
３８″を通して流れ、そこでベース電位変化は停
止し、クリツプされることになる。したがつて、
垂直方向にとなり合う光センサセルのエミツタが
垂直ライン３８，３８′，３８″により共通に接続
されていても、この様に垂直ライン３８，３８′，
３８″を接地しておくと、ブルーミング現象を生
ずることはない。

このブルーミング現象をさける方法は、MOS
トランジスタ４８，４８′，４８″を非導通状態に
して、垂直ライン３８，３８′，３８″を浮遊状態
にしていても、基板電位、すなわちコレクタ電位
６４を若干負電位にしておき、ホールの蓄積によ
りベース電位が正電位方向に変化してきたとき、
エミツタより先にコレクタ側の方へ流れ出す様に
することにより達成することも可能である。

蓄積区間６２に次いで、時刻t₃より読出し区間
６３になる。この時刻t₃において、MOSトラン
ジスタ４８，４８′，４８″のゲート端子４９の電
位６５をlowにし、かつ水平ライン３１，３１，
３１″のバツフアMOSトランジスタ３３，３３′，
３３″のゲート端子の電位６８をhighにし、それ
ぞれのMOSトランジスタを導通状態とする。但
し、このゲート端子３４の電位６８をhighにする
タイミングは、時刻t₃であることは必須条件では
なく、それより早い時刻であれば良い。

時刻t₄では、垂直シフトレジスタ３２の出力の
うち、水平ライン３１に接続されたものが波形６
９のごとくhighとなり、このとき、MOSトラン
ジスタ３３が導通状態であるから、この水平ライ
ン３１に接続された３つの各光センサセルの読出
しが行なわれる。この読出し動作はすでに前に説
明した通りであり、各光センサセルのベース領域
に蓄積された信号電荷により発生した信号電圧
は、そのまま、垂直ライン３８，３８′，３８″に
現われる。このときの垂直シフトレジスタ３２か
らのパルス電圧のパルス幅は、第７図に示した様
に、蓄積電圧に対する読出し電圧が、十分直線性
を保つ関係になるパルス幅に設定される。またパ
ルス電圧には先に説明した様に、V_Bias分だけエ
ミツタに対して順方向バイアスがかかる様調整さ
れる。

次いで、時刻t₅において、水平シフトレジスタ
３９の出力のうち、垂直ライン３８に接続された
MOSトランジスタ４０のゲートへの出力だけが
波形７０のごとくhighとなり、MOSトランジス
タ４０が導通状態となり、出力信号は出力ライン
４１を通して、出力トランジスタ４４に入り、電
流増幅されて出力端子４７から出力される。この
様に信号が読出された後、出力ライン４１には配
線容量に起因する信号電荷が残つているので、時
刻t₆において、MOSトランジスタ４２のゲート
端子４３にパルス波形７１のごとくパルスを印加
し、MOSトランジスタ４２を導通状態にして出
力ライン４１を接地して、この残留した信号電荷
をリフレツシユしてやるわけである。以下同様に
して、スイツチングMOSトランジスタ４０，４
０′，４０″を順次導通させて垂直ライン３８，３
８′，３８″の信号出力を読出す。この様にして水
平に並んだ一ライン分の各光センサセルからの信
号を読出した後、垂直ライン３８，３８′，３
８″には、出力ライン４１と同様、それの配線容
量に起因する信号電荷が残留しているので、各垂
直ライン３８，３８′，３８″に接続されたMOS
トラジスタ４８，４８′，４８″を、それのゲート
端子４９に波形６５で示される様にhighにして導
通させ、この残留信号電荷をリフレツシユする。

次いで、時刻t₈において、垂直シフトレジスタ
３２の出力のうち、水平ライン３１′に接続され
た出力が波形６９′のごとくhighとなり、水平ラ
イン３１′に接続された各光センサセルの蓄積電
圧が、各垂直ライン３８，３８′，３８″に読出さ
れるわけである。以下、順次前と同様の動作によ
り、出力端子４７から信号が読出される。

以上の説明におては、蓄積区間６２と読出し区
間６３が明確に区分される様な応用分野、例えば
最近研究開発が積極的に行なわれているスチルビ
デオに適用される動作状態について説明したが、
テレビカメラの様に蓄積区間６２における動作と
読出し区間６３における動作が同時に行なわれて
いる様な応用分野に関しても３第９図のパルスタ
イミングを変更することにより適用可能である。
但し、この時のリフレツシユは全画面一括リフレ
ツシユではなく、一ライン毎のリフレツシユ機能
が必要である。例えば、水平ライン３１に接続さ
れた各光センサセルの信号が読出された後、時刻
t₇において各垂直ラインに残留した電荷を消去す
るためMOSトランジスタ４８，４８′，４８″を
導通にするが、このとき水平ライン３１にリフレ
ツシユパルスを印加する。すなわち、波形６９に
おいて時刻t₇においても時刻t₄と同様、パルス電
圧、パル幅の異なるパルスを発生する様な構成の
垂直シフトレジスタを使用することにより達成す
ることができる。この様にダブルパルス的動作以
外には、第２図の右側に設置した一括リフレツシ
ユパルスを印加す機器の代わりに、左側と同様の
第２の垂直シフトレジスタを右側にも設け、タイ
ミングを左側に設けられた垂直レジスタとずらせ
ながら動作させることにより達成されることも可
能である。

この時は、すでに説明したような蓄積状態にお
いて、各光センサセルのエミツタおよびコレクタ
の各電位を操作してブルーミングを押えるという
動作の自由度が少なくなる。しかし、基本動作の
所で説明した様に、読出し状態では、ベースに
V_Biasなるバイアス電圧を印加したときに高速読
出しができる様な構成としているので、第６図の
グラフからなかる様に、V_Biasを印加しない時に、
各光センサセルの飽和により、垂直ライン２８，
２８′，２８″に流れ出す信号電荷分はきわめてわ
ずかであり、ブルーミング現像は、まつたく問題
にはならない。

また、スミア現象に対しても、本構成例に係る
光電変換装置は、きわめて優れた特性を得ること
ができる。スミア現象は、CCD型撮像装置、特
にフレーム転送型においては、光の照射されてい
る所を電荷転送されるという、動作および構造上
発生する問題であり、インタライン型において
は、特に長波長の光により半導体の深部で発生し
たキヤリアが電荷転送部に蓄積されるために発生
する問題である。

また、MOS型撮像装置においては、各光セン
サセルに接地されたスイツチングMOSトランジ
スタのドレイン側に、やはり長波長の光により半
導体深部で発生したキヤリアが蓄積されるために
生じる問題である。

これに対して本構成例に係る光電変換装置で
は、動作および構造上発生するスミア現像はまつ
たくなく、また長波長の光により半導体深部で発
生したキヤリアが蓄積されるという現象もまつた
く生じない。但し、光センサセルのエミツタにお
いて比較的表面近傍で発生したエレクトロンとホ
ールのうち、エレクトロンが蓄積されるという現
像が心配されるが、これは、一括リフレツシユ動
作のときは蓄積動作状態において、エミツタが接
地されているため、エレクトロンは蓄積されず、
スミア現象が生じない。また通常のテレビカメラ
のとき応用されるラインリフレツシユ動作のとき
は、水平ブランキングの期間において、垂直ライ
ンに蓄積電圧を読出す前に、垂直ラインを接地し
てリフレツシユするので、この時同時にエミツタ
に一水平走査期間に蓄積されたエレクトロンは流
れ出してしまい、このため、スミア現象はほとん
ど発生しない。この様に、本実施例に係る光電変
換装置では、その構造上および動作上、スミア現
像はほとんど本質的に無視し得る程度しか発生せ
ず、本構成例に係る光電変換装置の大きな利点の
一つである。

また、蓄積動作状態において、エミツタおよび
コレクタの各電位を操作して、ブルーミング現象
を押えるという動作について前に記述したが、こ
れを利用してγ特性を制御することも可能であ
る。

すなわち、蓄積動作の途中において、一時的に
エミツタまたあコレクタの電位をある一定の負電
位にし、ベースに蓄積されたキヤリアのうち、こ
の負電位を与えるキヤリア数より多く蓄積されて
いるホールをエミツタまたはコレクタ側へ流して
しまうという動作をさせる。これにより、蓄積電
圧と入射光量と対する関係は、入射光量の小さい
ときはシリコン結晶のもつγ＝１の特性を示し、
入射光量の大きい所では、γが１より小さくなる
様な特性を示す。つまり、折線近似的に通常テレ
ビカメラで要求されるγ＝0.45の特性をもたせる
ことが可能である。蓄積動作の途中において上記
動作を一度やれば一折線近似となり、エミツタ又
はコレクタに印加する負電位を二度適宜変更して
行なえば、二折線タイプのγ特性を持たせること
も可能である。

また、以上の構成例においては、シリコン基板
を共通コレクタとしているが通常バイポーラトラ
ンジスタのごとく埋込n⁺領域を設け、各ライン
毎にコレクタを分割させる様な構造としてもよ
い。

なお、実際の動作には第９図ａに示したパルス
タイミング以外に、垂直シフトレジスタ３２、水
平シフトレジスタ３９を駆動するためのクロツク
パルスが必要である。

第１０図に出力信号に関係する等価回路を示
す。

容量C_V８０は垂直ライン３８，３８′，３８″
の配線容量であり、容量C_H81は出力ライン４１
の配線容量をそれぞれ示している。また第９図右
側の等価回路は、読出し状態におけるものであ
り、スイツチング用MOSトランジスタ４０，４
０′，４０″は導通状態であり、それの導通状態に
おける抵抗値を抵抗R_M８２で示している。また
増幅用トランジスタ４４は抵抗r_e８３および電流
源８４を用いた等価回路で示している。出力ライ
ン４１の配線容量に起因する電荷蓄積をリフレツ
シユするためのMOSトランジスタ４２は、読出
し状態では非導通状態であり、インピーダンスが
高いので、右側の等価回路では省略している。

等価回路の各パラメータは、実際に構成する光
電変換装置の大きさにより決定されるわけである
が、例えば、容量C_V８０は約4pF位、容量C_H８１
は約4pF位、MOSトランジスタの導通状態の抵
抗R_M８２は3KΩ程度、バイポーラトランジスタ
４４の電流増幅率βは約100程度として、出力端
子４７において観測される出力信号波形を計算し
て例を第１１図に示す。

第１１図において横軸はスイチングMOSトラ
ンジスタ４０，４０′，４０″が導通した瞬間から
の時間［μs］を、縦軸は垂直ライン３８，３８′，
３８″の配線容量C_V８０に、各光センサセルから
信号電荷が読出されて１ボルトの電圧がかかつて
いるときの出力端子４７に現われる出力電圧
［Ｖ］をそれぞれ示している。

出力信号波形８５は負荷抵抗R_E４５が10KΩ、
８６は負荷抵抗R_E４５が5KΩ、８７は負荷抵抗
R_E４５が2KΩのときのものであり、いずれにお
いてもピーク値は、C_V８０とC_H８１の容量分割
により0.5V程度になつている。当然のことなが
ら、負荷抵抗R_E４５が大きいほうが減衰量は小
さく、望ましい出力波形になつている。立ち上が
り時間は、上記のパラメータ値のとき、約20nsec
と高速である。スイツチングMOSトランジスタ
４０，４０′，４０″の導通状態における抵抗R_M
を小さくすることにより、および、配線容量C_V、
C_Hを小さくすることにより、さらに高速の読出
しも可能である。

上記構成に係る光センサセルを利用した光電変
換装置では、各光センサセルのもつ増幅機能によ
り、出力に現われる電圧が大きいため、最終段の
増幅アンプも、MOS型撮像装置に比較してかな
り簡単なものでよい。上記例ではバイポーラトラ
ンジスタ１段のタイプのものを使用した例につい
て説明したが、２段構成のもの等、他の方式を使
うことも当然のことながら可能である。この例の
様にバイポーラトランジスタを用いると、CCD
撮像装置における最終段のアンプのMOSトラン
ジスタから発生する画像上目につきやすい１／ｆ
雑音の問題が、本構成例の光電変換装置では発生
せず、きわめてＳ／Ｎ比の良い画質を得ることが
可能である。

次に本発明の光電変換装置の実施例に付いて説
明する。

本実施例においては、第１図に示されるように
制限手段としてのダイオードが設けられており、
過渡的リフレツシユにおける不都合を改善するも
のである。

第９図ｂに、過渡的リフレツシユ動作、蓄積動
作、読出し動作、そして過渡的リフレツシユ動作
と巡回するときの、エミツタ、ベース、コレクタ
各部における電位レベルを表したものを示す。各
部位の電圧レベルは外部的に見た電位であり、内
部のポテンシヤルレベルとは一部一致していない
所もある。

説明を簡単にするためにエミツタ・ベース間の
拡散電位は除いてある。したがつて、第９図ｂで
エミツタとベースが同一レベルで表される時に
は、実際にはエミツタベース間に kT／ｐ1nN_D・N_A／n_i ² で与えられる拡散電位が存在するわけである。

第９図ｂにおいて、状態、はリフレツシユ
動作を、状態は蓄積動作を、増対、は読出
し動作を、状態はエミツタを接地したときの動
作状態をそれぞれ示す。また電位レベルは０ボル
トを境にして上側が負、下側は正電位をそれぞれ
示す。状態になる前のベース電位はゼロボルト
であつたとし、またコレクタ電位は状態から
まで全て正電位にバイアスされているものとす
る。

上記の一連の動作を第９図ａのタイミング図と
共に説明する。

第９図ａの波形６７のごとく、時刻t₁におい
て、端子３７に正電位すなわりリフレツシユ電圧
V_RHが印加されると、第９図ｂの状態に電位
200のごとくベースには、すでに説明した様に Cox／Cox＋Cbe＋CbcV_RH なる分圧がかかる。この電位は時刻t₁からt₂の間
に次第にゼロ電位に向かつて減少していき、時刻
t₂では、第９図ｂの点線で示した電位２０１とな
る。この電位は前に説明した様に、過渡的なリフ
レツシユモードにおいて、ベースに残る電位V_K
である。時刻t₂において、波形６７のごとく、リ
フレツシユ電圧V_RHがゼロ電圧にもどる瞬間にベ
ースに、ベースには −Cox／Cox＋Cbe＋CbcV_RH なる電圧が前と同様、容量分割により発生するの
で、ベースは残つていた電圧V_Kと新しく発生し
た電圧との加算された電位となる。すなわち、状
態において示されるベース電位２０２であり、
これは、 V_K−Cox／Cox＋Cbe＋CbcV_RH で与えられる。

この様なエミツタに対して逆バイアス状態にお
いて光が入射してくると、この光によ発生したホ
ールがベース領域に蓄積されるので、状態のご
とく、入射してくる光の強さに応じてベース電位
２０２はベース電位２０３，２０３′，２０３″の
ごとく次第に正電位に向つて変化する。この光に
より発生する電圧をV_Pとする。

次いで波形６９のごとく、水平ラインに垂直シ
フトレジスタより電圧、すなわち、読出し電圧
V_Rが印加されると、ベースには Cox／Cox＋Cbe＋CbcV_R なる電圧が加算されるので、光がまつたく照射さ
れないときのベース電位２０４は V_R＋Cox／Cox＋Cbe＋Cbc（V_R−V_RH） となる。このときの電位２０４は前に説明したご
とく、エミツタに対して0.5〜0.6V程度順方向に
バイアス状態になる様に、設定される。また、ベ
ース電位２０５，２０５′，２０５″はそれぞれ V_K＋V_P＋Cox（V_R−V_RH）／Cox＋Cbe＋Cbc V_K＋V_P′＋Cox（V_R−V_RH）／Cox＋Cbe＋Cbc V_K＋V_P″＋Cox（V_R−V_RH）／Cox＋Cbe＋Cbc で与えられる。

ベース電位がこの様にエミツタに対して、順方
向バイアスされると、エミツタ側からエレクトロ
ンの注入がおこり、エミツタ電位は次第に正電位
方向に動いていくことにな。光が照射されなかつ
たときのベース電位２０４に対するエミツタ電位
２０６は、順方向バイアスを0.5〜0.6Vに設定し
た時読出しパルス幅１〜2μs位のとき、約50〜100
ｍＶ程度であり、この電圧をV_Bとすると、エミ
ツタ電位２０７，２０７′，２０７″は前の例の様
に0.1μs以上のパルス幅であれば直線性は十分確
保されるので、それぞれV_P＋V_B、V_P′＋V_B、
V_P″＋V_Bとなる。

ある一定の読出し時間の後、波形６９のごとく
読出し電圧V_Rがゼロ電位になつた時点で、ベー
スには −Cox／Cox＋Cbe＋Cbc・V_R なる電圧が加算されるので、状態のごとくベー
ス電位は読出しパルスが印加される前の状態、す
なわち逆バイアス状態になり、エミツタの電位変
化は停止する。すなわち、このときのベース電位
２０８は V_K−Cox／Cox＋Cbe＋Cbc・V_RH ベース電位２０９，２０９′，２０９″はそれぞ
れ、 V_K＋V_P−Cox／Cox＋Cbe＋Cbc・V_RH V_K＋V_P′−Cox／Cox＋Cbe＋Cbc・V_RH V_K＋V_P″−Cox／Cox＋Cbe＋Cbc・V_RH で与えられる。これは読出しが始まる前の状態
とまつたく同じである。

この状態におて、エミツタ側の光情報信号が
外部へ読出されるわけである。この読出しが終つ
た後、各スイツチングMOSトランジスタ４８，
４８′，４８″が導通状態となり、エミツタが接地
されて状態のごとく、エミツタはゼロ電位とな
る。これで、リフレツシユ動作、蓄積動作、読出
し動作と一巡し、次に状態にもどるわけである
が、この時、最初にリフレツシユ動作に入る前
は、ベース電位がゼロ電位からスタートしたのに
対して、一巡してきた後はベース電位が V_K−Cox／Cox＋Cbe＋Cbc・V_RH およびそれに、それぞれV_P、V_P′、V_P″が加算さ
れた電位に変化していることになる。したがつ
て、この状態で、リフレツシユ電圧V_RHが印加さ
れたとしてもベース電位はそれぞれV_K、V_K＋
V_P、V_K＋V_P′、V_K＋V_P″になるだけであり、こ
れでは、ベースに十分な順方向バイアスがかから
ず、光の強くあつた所は順方向バイアス量が大き
い光情報は消えるものの、光の弱い部分の情報は
消えずに残るということが生ずることは第６図に
示したリフレツシユ動作の計算例から見てもあき
らかである。

この様な現象は過渡的リフレツシユモード独特
のものであり、完全リフレツシユモードでは、ベ
ース電位が必ずゼロ電位になるまで長いリフレツ
シユ時間をとるために、この様な問題は生じな
い。

高速リフレツシユが可能な過渡的リフレツシユ
モードを使い、かつこの様な点を改善し高速リフ
レツシユが可能な第１図に示す本発明の実施例に
ついて以下に述べる。

この不都合は、リフレツシユパルスが印加され
た時、および、読出しパルスが印加された時に、
パルスの先端および後端において正および負の容
量分割によつて生じた同一の電圧値がベース領域
にかかることにより生ずる現象であるから、ベー
ス領域に負電圧がかかる時、これの値を何らかの
方法で、一定の値にクランプすることによりこれ
は解決される。

第１図にこれを達成するための一実施例を示
す。第１図ａはセンサセルの断面図を、第１図ｂ
はａの等価回路をそれぞれ示している。

第１図ａでは、すでに説明した第５図の基本の
センサセルにおいて、センサセルと分離するため
のSiO₂領域２５０、p⁺n⁺接合ダイオードを形成
していわゆるp⁺領域２５１およびn⁺領域２５２
が余分に付加され、このn⁺領域２５２は、アル
ミ配線２５３によりセンサセルのベース領域６と
接続されており、また、p⁺領域はアルミ配線２
５４により外部電源と接続される構造をしてい
る。他の部分は、第５図に示した基本のセンサセ
ルとまつたく同じである。第１図ｂの等価回路で
は、p⁺領域２５１およびn⁺領域２５２よりなる
p⁺n⁺接合ダイオード２５５が、そのアノード側
（p⁺領域側）が外部電源と接続されるための配線
２５４につながれ、そのカソード側（n⁺領域側）
が基本光センサセルのベース側に接続されてい
る。他は第５図に示した基本光センサセルの等価
回路と同じである。

この構成によれば、第９図ｂの状態におい
て、リフレツシユパルスの後端で、ベース領域の
負電位２０２が V_K−Cox／Cox＋Cbe＋CbcV_RH となつたものが、配線２５４より供給される電圧
−V_Cになされることになる。すなわち、クラン
プ電圧−V_Cより電位が低くなろうとするとダイ
オード２５５が導通して電流が流れ、最終的にク
ランプ電圧−V_Cにクランプされるわけである。

このときのクランプ電圧−V_Cは、過渡的リフ
レツシユモード動作におけるリフツシユの速度、
読出し動作における正方向バイアス、光信号のダ
イナミツクレンジ等を考慮して最適な値に設定さ
れる。

クランプ電圧−V_Cは適宜設定されるが、n⁺領
域２５２およびp⁺領域２５１の不純物密度を制
御することによつて所望の電圧−V_Cは得られる。

以上に示した、クランプ用pn接合ダイオード
を付加した光センサセルによれば、過渡的リフレ
ツシユモード動作において生ずる問題点を確実に
解決することができ、高速リフレツシユが可能な
撮像素子を提供することが可能である。

第１図に示した実施例においては、MOSキヤ
パシタ電極９、エミツタ７から配線８、ベース６
とpn接合ダイオードのn⁺領域２５２を接続する
ための配線２５３、pn接合ダイオードのp⁺領域
２５１へ電圧を供給するための配線２５４等を説
明の都合上、全て同一の断面内に書いており、光
の入射する窓がきわめて少ない書き方をしている
が、実際には、同一の光センサセルの中の他の部
分へそれぞれを、入射する窓の形状、配線の都合
等を考慮して配置することが可能である。

既に述べた様に、前述した構成に係る光センサ
セルを利用した光電変換装置では、最終段の増幅
アンプがきわめて簡単なもので良いことから、最
終段の増幅アンプを一つだけ設ける第２図に示し
た構成例のごときタイプではなく、増幅アンプを
複数個設置して、一つの画面を複数に分割して読
出す様な構成とすることも可能である。

第１２図に、分割読出し方式の一例を示す。第
１２図に示す構成例は、水平方向を３分割とし最
終段アンプを３つ設置した例である。基本的な動
作は第２図の構成例および第９図のタイミング図
を用いて説明したものとほとんど同じであるが、
この第１２図の構成例では、３つの等価な水平シ
フトレジスタ１００，１０１，１０２を設け、こ
れらの始動パルスを印加するための端子１０３に
始動パルスが入ると、１列目、（ｎ＋１）列目、
（2n＋１）列目（ｎは整数であり、この構成例で
は水平方向絵素数は3n個である。）に接続された
各センサセルの出力が同時に読出されることにな
る。次の時点では、２列目、（ｎ＋２）列目、
（2n＋２）列目が読出されることになる。この構
成例によれば、一本の水平ライン分を読出す時間
が固定されている時は、水平方向のスキヤンニン
グ周波数は、一つの最終段アンプをつけた方式に
比較して1/3の周波数で良く、水平シフトレジス
タが簡単になり、かつ光電変換装置からの出力信
号をアナログデイジタル変換して、信号処理する
様な用途には、高速のアナログ・デイジタル変換
気は不必要であり、分割読出し方式の大きな利点
である。

第１２図に示した構成例では、等価な水平シフ
トレジスタを３つ設けた方式であつたが、同様な
機能は、水平シフトレジスタ１つだけでももたせ
ることが可能である。この場合の構成例を第１３
図に示す。

第１３図の構成例は、第１２図に示した構成例
のうちの水平スイツチングMOSトランジスタと、
最終段アンプの中間の部分だけを書いたものであ
り、他の部分は、第１２図の構成例と同じである
から省略している。

この構成例では、１つの水平シフトレジスタ１
０４からの出力を１列目、（ｎ＋１）列目、（2n
＋１）列目のスイツチングMOSトランジスタの
ゲートに接続し、それらのラインを同時に読出す
ようにしている。次の時点では、２列目、（ｎ＋
２）列目、（2n＋２）列目が読出されるわけであ
る。

この構成例によれば、各スイツチングMOSト
ランジスタのゲートへの配線は増加するものの、
水平シフトレジスタとしては１つだけ動作が可能
である。

第１２図、１３図の例では出力アンプを３個設
けた例を示したが、この数はその目的に応じてさ
らに多くしてもよいことはもちろんである。

第１２図、第１３図の構成例ではいずれも、水
平シフトレジスタ、垂直シフトレジスタの始動パ
ルスおよびクロツクパルスは省略しているが、こ
れらは、他のリフレツシユパルスと同様、同一チ
ツプ内に設けたクロツクパルス発生器あるいは、
他のチツプ上に設けられたクロツクパルス発生器
から供給される。

この分割読出し方式では、水平ライン一括又は
全画面一括リフレツシユを行なうと、ｎ列目と
（ｎ＋１）列目の光センサセル間では、わずか蓄
積時間が異なり、これにより、暗電流成分および
信号成分に、わずかの不連続性が生じ、画像上目
についてくる可能性も考えられるが、これの量は
わずかであり、実用上問題はない。また、これ
が、許容限度以上になつてきた場合でも、外部回
路を用いて、それを補正することは、キヨシ状波
を発生させ、これと暗電流成分との減算およびこ
れと信号成分の乗除算により行なう従来の補正技
術を使用することにより容易に可能である。

この様な光電変換装置を用いて、カラー画像を
撮像する時は、光電変換装置の上に、ストライプ
フイルタあるいは、モザイクフイルタ等をオンチ
ツプ化したり、又は、別に作つたカラーフイルタ
を貼合わせることによりカラー信号を得ることが
可能である。

一例として、Ｒ、Ｇ、Ｂのストライプ・フイル
タを使用した時は、上記構成に係る光センサセル
を利用した光電変換装置ではそれぞれ別々の最終
段アンプよりＲ信号、Ｇ信号、Ｂ信号を得ること
が可能である。これらの一構成例を第１４図に示
す。この第１４図も第１３図と同様、水平シフト
レジスタのまわりだけを示している。他は第２図
および第１２図と同じであり、ただ１列目はＲの
カラーフイルタ、２列目はＧのカラーフイルタ、
３列目はＢのカラーフイルタ、４列目はＲのカラ
ーフイルタという様にカラーフイルタがついてい
るものとする。第１４図に示すごとく、１列目、
４列目、７列目…の各垂直ラインは出力ライン１
１０に接続され、これはＲ信号をとりだす。又２
列目、５列目、８例目…の各垂直ラインは出力ラ
イン１１１に接続され、これはＧ信号をとりだ
す。又同様にして、３列目、６列目、９列目…の
各垂直ラインは出力ライン１１２に接続されたＢ
信号をとりだす。出力ライン１１０，１１１，１
１２はそれぞれオンチツプ化されたリフレツシユ
用MOSトランジスタおよび最終段アンプ、例え
ばエミツタフオロアタイプのバイポーラトランジ
スタに接続され、各カラー信号が別々に出力され
るわけである。

本発明の他の構成例に係る光電変換装置を構成
する光センサセルの他の例の基本構造および動作
を説明するための図を第１５図に示す。またそれ
の等価回路および全体の回路構成図を第１６図ａ
に示す。

第１５図に示す光センサセルは、同一の水平ス
キヤンパルスにより読出し動作、およびラインリ
フレツシユを同時に行なうことを可能とした光セ
ンサセルである。第１５図において、すでに第５
図で示した構成と異なる点は、第５図の場合水平
ランン配線１０に接続されるMOSキヤパシタ電
極９が一つだけであつたものが上下に隣接する光
センサセルの側にもMOSキヤパシタ電極１２０
が接続され、１つの光センサセルからみた時に、
ダブルコンデンサタイプとなつていること、およ
び図において上下に隣接する光センサセルのエミ
ツタ７，７′は２層配線にされた配線８、およ
び配線１２１、（第１５図では、垂直ラインが
１本に見えるが、絶縁層を介して２本のラインが
配置されている）に交互に接続、すなわちエミツ
タ７はコンタクトホール１９を通して配線８
に、エミツタ７′はコンタクトホール１９′を通し
て配線１２１にそれぞれ接続されていることが
異なつている。

これは第１６図ａの等価回路をみるとより明ら
かとなる。すなわち、光センサセル１５２のベー
スに接続されたMOSキヤパシタ１５０は水平ラ
イン３１に接続され、MOSキヤパシタ１５１は
水平ライン３１′に接続されている。また光セン
サセル１５２の図において下に隣接する光センサ
セル１５２′のMOSキヤパシタ１５０′は共通す
る水平ライン３１′に接続されている。

光センサセル１５２のエミツタは垂直ライン３
８に、光センサセル１５２′のエミツタは垂直ラ
イン１３８に、光センサセル１５２″のエミツタ
は垂直ライン３８という様にそれぞれ交互に接続
されている。

第１６図ａの等価回路では、以上述べた基本の
光センサセル部以外で、第２図の撮像装置と異な
るのは、垂直ライン３８をリフレツシユするため
のスイツチングMOSトランジスタ４８のほかに
垂直ライン１３８をリフレツシユするためのスイ
ツチングMOSトランジスタ１４８、および垂直
ライン３８を選択するスイツチングMOSトラン
ジスタ４０のほか垂直ライン１３８を選択するた
めのスイツチングMOSトランジスタ１４０が追
加され、また出力アンプ系が一つ増設されてい
る。この出力系の構成は、各ラインをリフレツシ
ユするためのスイツチングMOSトランジスタ４
８、および１４８が接続されている様な構成と
し、さらに水平スキヤン用のスイツチングMOS
トランジスタを用いる第１６図ｂに示す様にして
出力アンプを一つだけにする構成もまた可能であ
る。第１６図ｂでは第１６図ａの垂直ライン選択
および出力アンプ系の部分だけを示している。

この第１５図の光センサセルおよび第１６図ａ
に示す実施例によれば、次の様な動作が可能であ
る。すなわち、今水平ライン３１に接続された各
光センサセルの読出し動作が終了し、テレビ動作
における水平ブランキング期間にある時、垂直シ
フトレジスタ３２からの出力パルスが水平ライン
３１′に出力されるMOSキヤパシタ１５１を通し
て、読出しの終了した光センサセル１５２をリフ
レツシユする。このとき、スイツチングMOSト
ランジスタ４８は導通状態にされ、垂直ライン３
８は接地されている。

また、水平ライン３１′に接続されたMOSキヤ
パシタ１５０′を通して光センサセル１５２′の出
力が垂直ライン１３８に読出される。このとき当
然のことながらスイツチングMOSトランジスタ
１４８は非導通状態になされ、垂直ライン１３８
は浮遊状態となつているわけである。この様に一
つの垂直スキヤンパルスにより、すでに読出しを
終了した光センサセルのリフレツシユと、次のラ
インの光センサセルの読出しが同一のパルスで同
時的に行なうことが可能である。このときすでに
説明した様にリフレツシユする時の電圧と読出し
の時の電圧は、読出し時には、高速読出しの必要
性からバイアス電圧をかけるので異なつてくる
が、これは第１５図に示すごとく、MOSキヤパ
シタ電極９およびMOSキヤパシタ電極１２０の
面積を変えることにより各電極に同一の電圧が印
加されても各光センサセルのベースには異なる電
圧がかかる様な構成をとることにより達成されて
いる。

すなわち、リフレツシユ用MOSキヤパシタの
面積は、読出し用MOSキヤパシタ面積にくらべ
て小さくなつている。この例のように、センサセ
ル全部を一括リフレツシユするのではなく、一ラ
インずつリフレツシユしていく場合には、第５図
ｂに示される様にコレクタをｎ型あるいはｎ基板
で構成しておいてもよいが、水平ラインごとにコ
レクタを分離して設けたほうが望ましいことがあ
る。コレクタが基板になつている場合には、全光
センサセルのコレクタが共通領域となつているた
め、蓄積および受光出し状態ではコレクタに一定
のバイアス電圧が加わつた状態になつている。も
ちろん、すでに説明したようにコレクタにバイア
ス電圧が加わつた状態でも浮遊ベースのリフレツ
シユは、エミツタの間で行なえる。ただし、この
場合には、ベース領域のリフレツシユが行なわれ
ると同時に、リフレツシユパルスが印加されたセ
ルのエミツタコレクタ間に無駄な電流が流れ、消
費電力を大きくするという欠点が伴う。こうした
欠点を克服するためには、全センサセルのコレク
タを共通領域とせずに、各水平ラインに並ぶセン
サセルのコレクタは共通になるが、各水平ライン
ごとのコレクタは互いに分離された構造にする。
すなわち、第５図の構造に関連させて説明すれ
ば、基板はｐ型にして、ｐ型基板中にコレクタ各
水平ラインごとに互いに分離されたn⁺埋込領域
を設けた構造にする。隣り合う水平ラインのn⁺
埋込領域の分離は、ｐ領域を間に介在させる構造
でもよい。水平ラインに沿つて埋込まれるコレク
タのキヤパシタを減少させるには、絶縁物分離の
方が優れている。第５図では、コレクタが基板で
構成されているから、センサセルを囲む分離領域
はすべてほとんど同じ深さまで設けられている。
一方、各水平ラインごとのコレクタを互いに分離
するには、水平ライン方向の分離領域を垂直ライ
ン方向の分離領域より必要な値だけ深くしておく
ことになる。

各水平ラインごとにコレクタが分離されていれ
ば、読出しが終つて、リフレツシユ動作が始まる
時に、その水平ラインのコレクタの電圧を接地す
れば、前述したようなエミツタコレクタ間電流は
流れず、消費電力の増加をもたらさない。リフレ
ツシユが終つて光信号による電荷蓄積動作に入る
時に、ふたたびコレクタ領域には所定のバイアス
電圧を印加する。

また第１６図ａの等価回路によれば、各水平ラ
インごとに出力は出力端子４７および１４７に交
互に出力されることになる。これは、すでに説明
したごとく、第１６図ｂの様な構成にすることに
より一つのアンプから出力をとりだすこととも可
能である。

以上説明した様な本構成例によれば、比較的簡
単な構成で、ラインリフレツシユが可能となり、
通常のテレビカメラ等の応用分野にも適用するこ
とができる。

本発明の他の構成例としては、光エンサセルに
複数のエミツタを設けた構成あるいは、一つのエ
ミツタに複数のコンタクトを設けた構成により、
一つの光センサセルから複数の出力をとりだすタ
イプが考えられる。

これは本発明による光電変換装置の各光センサ
セルが増幅機能をもつことから、一つの光センサ
セルから複数の出力をとりだすために、各光セン
サセルに複数の配線容量が接続されても、光セン
サセルの内部で発生した蓄積電圧Vpが、まつた
く減衰することなしに各出力に読出すことが可能
であることに起因している。

この様に、各光センサセルからの複数の出力を
とりだすことができる構成により、各光センサセ
ルを多数配列してなる光電変換装置に対して信号
処理あるいは雑音対策等に対して多くの利点を付
加することが可能である。

次に本発明に係る光電変換装置の一製法例につ
いて説明する。第１７図に、選択エピタキシヤル
成長（N.Endo et al、“Novel device isolation
technology with selected epitaxial growth”
Tech.Dig.of 1982 IEDM、pp.241−244参照）を
用いたその製法の一例を示す。

１〜10×10¹⁶cm^-3程度の不純物濃度のｎ形Si基
板１の裏面側に、コンタクト用のn⁺領域１１を、
AsあるいはＰの拡散で設ける。n⁺領域からのオ
ートドーピングを防ぐために、図には示さないが
酸化膜及び窒化膜を裏面に通常は設けておく。

基板１は、不純物濃度及び酸素濃度が均一に制
御されたものを用いる。すなわち、キヤリアライ
ンタイムがウエハで十分に長くかつ均一な結晶ウ
エハを用いる。その様なものとしては例えば
MCZ法による結晶が適している。基板１の表面
に略々1μｍ程度の酸化膜をウエツト酸化により
形成する。すなわち、H₂O雰囲気かあるいは
（H₂＋O₂）に雰囲気で酸化する。積層欠陥等を生
じさせずに良好な酸化を得るには、900℃程度の
温度での高圧酸化が適している。

その上に、たとえば２〜4μｍ程度の厚さの
SiO₂膜をCVDで堆積する。（N₂＋SiH₄＋O₂）ガ
ス系で300〜500℃程度の温度で所望の厚さの
SiO₂膜を堆積する。O₂／SiH₄のモル比は温度に
もよるが４〜40程度に設定する。フオトリソグラ
フイ工程により、セル間の分離領域となる部分の
酸化膜を残して他の領域の酸化膜は、（CF₄＋
H₂）、C₂F₄、CH₂F₂等のガスを用いたリアクテイ
ブイオンエツチングで除去する（第１７図の工程
ａ）、例えば、10×10μm²に１画素を設ける場合
には、10μｍピツチのメツシユ状にSiO₂膜を残
す。SiO₂膜の幅はたとえば2μｍ程度に選ばれる。
リアクテイブイオンエツチングによる表面のダメ
ージ層及び汚染層を、Ar／Cl₂ガス系プラズマエ
ツチングかウエツトエツチングによつて除去した
後、超高真空中における蒸着かもしくは、ロード
ロツク形式で十分に雰囲気が清浄になされたスパ
ツタ、あるいは、SiH₄ガスにCO₂レーザ光線を
照射する減圧光CVDで、アモルフアスシリコン
３０１を堆積する（第１７図の工程ｂ）、CBrF₃、
CCl₂F₂、Cl₂等のガスを用いたリアクテイブイオ
ンエツチングによる異方性エツチによりSiO₂層
側面に堆積している以外のアモルフアスシリコン
を除去する（第１７図の工程ｃ）、前と同様に、
ダメージ層と汚染層を十分除去した後、シリコン
基板表面を十分清浄に洗浄し、（H₂＋SiH₂、Cl₂
＋HCl）ガス系によりシリコン層の選択成長を行
なう。数10Torrの減圧状態で成長は行ない、基
板温度は900〜1000℃、HClのモル比をある程度
以上高い値に設定する。HClの量が少なすぎると
選択成長は起こらない。シリコン基板上にはシリ
コン結晶層が成長するが、SiO₂層上のシリコン
はHClによつてエツチングされてしまうため、
SiO₂層上にはシリコンは堆積しない（第１７図
ｄ）。n^-層５の厚さは例えば３〜5μｍ程度であ
る。不純物濃度は好ましくは10¹²〜10¹⁶cm^-3程度
に設定する。もちろん、この範囲をずれてもよい
が、pn^-接合の拡散電位で完全に空乏化するかも
しくはコレクタに動作電圧を印加した状態では、
少なくともn^-領域が完全に空乏化するような不
純物濃度および厚さに選ぶのが望ましい。

通常入手できるHClガスには大量の水分が含ま
れているため、シリコン基板表面で常に酸化膜が
形成されるというようなことになつて、到底高品
質のエピタキシヤル成長は望めない。水分の多い
HClは、ボンベに入つている状態でボンベの材料
と反応し鉄分を中心とする重金属を大量に含むこ
とになつて、重金属汚染の多いエピタキシヤル層
になり易い。光センサセルに使用するエピタキシ
ヤル層は、暗電流成分が少ない程望ましいわけで
あるから、重金属による汚染は極限まで抑える必
要がある。SiH₂Cl₂に超高純度の材料を使用する
ことはもちろんであるが、HClには特に水分の少
ない、望ましくは少なくとも水分含有量が
0.5ppm以下のものを使用する。もちろん、水分
含有量は少ない程よい。エピタキシヤル成長層を
さらに高品質にするには、基到をまず1150〜1250
℃程度の高温処理で表面近傍から酸素を除去し
て、その後800℃程度の長時間熱処理により基板
内部にマイクロデイフエクトを多数発生させ、デ
ヌーデツトゾーンを有するイントリシツクゲツタ
リングの行える基板にしておくこともきわめて有
効である。分離領域としてのSiO₂層４が存在し
た状態でのエピタキシヤル成長を行なうわけであ
るから、SiO₂からの酸素のとり込みを少なくす
るため、成長温度は低いほど望ましい。通常よく
使われる高周波加熱法では、カーボンサセプタか
らの汚染が多くて、より一層の低温化は難しい。
反応室内にカーボンサセプタなど持込まないラン
プ加熱によるウエハ直接加熱法が成長雰囲気をも
つともクリーンにできて、高品質エピタキシヤル
層を低温で成長させられる。

反応室におけるウエハ支持具は、より蒸気圧の
低い超高純度溶解サフアイアが適している。原材
料ガスの予熱が容易に行え、かつ大量流のガスが
流れている状態でもウエハ面内温度を均一化して
易い、すなわちサーマルストレスがほとんど発生
しないランプ加熱によるウエハ直接加熱法は、高
品質エピタキシヤル層を得るのに適している。成
長時にウエハ表面への紫外線照射は、エピタキシ
ヤル層の品質をさらに向上させる。

分離領域４となるSiO₂層の側壁にはアモルフ
アスシリコンが堆積している（第１７図の工程
ｃ）。アモルフアスシリコンは固相成長で単結晶
化し易いため、SiO₂分離領域４との界面近傍の
結晶が非常に優れたものになる。高抵抗n^-層５
を選択エピタキシヤル成長により形成した後（第
１７図の工程ｄ）、表面濃度１〜20×10¹⁶cm^-3程
度のＰ領域６を、ドープトオキサイドからの拡散
か、あるいは低ドーズのイオン注入層をソースと
した拡散により所定の深さまで形成する。ｐ領域
６の深さはたとえば0.6〜1μｍ程度である。

ｐ領域６の厚さと不純物濃度は以下のような考
えで決定する。感度を上げようとすれば、ｐ領域
６の不純物濃度を下げてCbeを小さくすることが
望ましい。Cbeは略々次のように与えられる。

Cbe＝Aeε（ｑ・N_A／2εVbi）^1/2 ただし、Vbiはエミツタ・ベース間拡散電位で
あり、 Vbi＝kT／ｑ1nN_DN_A／n_i ² で与えられる。ここで、εはシリコン結晶の誘電
率、N_Dはエミツタの不純物濃度、N_Aはベースの
エミツタに隣接する部分の不純物密度、n_iは眞性
キヤリア濃度である。N_Aを小さくするほどCbe
は小さくなつて、感度は上昇するが、N_Aをあま
り小さくしすぎるとベース領域が動作状態で完全
に空乏化てパンチングスルー状態になつてしまう
ため、あまり低くは出来ない。ベース領域が完全
に空乏化してパンチングスルー状態にならない程
度に設定する。

その後、シリコン基板表面に（H₂＋O₂）ガス
系スチーム酸化により数10Åから数100Å程度の
厚さの熱酸化膜３を、800〜900℃程度の温度で形
成する。その上に、（SiH₄＋NH₃）系ガスの
CVDで窒化膜（Si₃N₄）３０２を500〜1500Å程
度の厚さで形成する。形成温度は700〜900℃程度
である。NH₃ガスも、HClガスと並んで通常入
手できる製品は、大量に水分を含んでいる。水分
の多いNH₃ガスを原材料に使うと、酸素濃度の
多い窒化膜となり、再現性に乏しくなると同時
に、その後のSiO₂膜との選択エツチングで選択
比が取られないという結果を招く。NH₃ガスも、
少なくとも水分含有量が0.5ppm以下のものにす
る。水分含有量は少ない程望ましいことはいうま
でもない。窒化膜３０２の上にさにPSG膜３０
０をCVDにより堆積する。ガス系は、たとえば、
（N₂＋SiH₄＋O₂＋PH₃）を用いて、300〜450℃
程度の温度で2000〜3000Å程度の厚さのPSG膜
をCVDにより堆積する（第１７図の工程ｅ）。２
度のマスク合わせ工程を含むフオトリソグラフイ
ー工程により、n⁺領域７上とリフレツシユ及び
読出しパルス印加電極上に、Asドープのポリシ
リコン膜３０４を堆積する。この場合ｐ−ドープ
のポリシリコン膜を使つてもよい。たとえば、２
回のフオトリソグラフイー工程により、エミツタ
上は、PSG膜、Si₃N₄膜、SiO₂膜をすべて除去
し、リフレツシユおよび読出しパルス印加電極を
設ける部分には下地のSiO₂膜を残して、PSG膜
とSi₃N₄膜のみエツチングする。その後、Asドー
プのポリシリコンを、（N₂＋SiH₄＋AsH₃）もし
くは（H₂＋SiH₄＋AsH₃）ガスでCVD法により
堆積する。堆積温度は550〜〜700℃程度、膜厚は
1000〜2000Åである。ノンドープのポリシリコン
をCVD法で堆積しておいて、その後As又はＰを
拡散してももちろんよい。エミツタとリフレツシ
ユ及び読み出しパルス印加電極上を除いた他の部
分のポリシリコン膜をマスク合わせフオトリソグ
ラフイー工程の後エツチングで除去する。さら
に、PSG膜をエツチングすると、リフトオフに
よりPSG膜に堆積していたポリシリコンはセル
フアライン的に除去されてしまう（第１７図の工
程ｆ）。ポリシリコン膜のエツチングはC₂Cl₂F₄、
（CBrF₃＋Cl₂）等のガス系でエツチングし、
Si₃N₄はCH₂F₂等のガスでエツチングする。

次に、PSG膜３０５を、すでに述べたような
ガス系のCVD法で堆積した後、マスク合わせ工
程とエツチング工程とにより、リフレツシユパル
ス及び読出しパルス電極用ポリシリコン膜上にコ
ンタクトホールを開ける、こうした状態で、Al、
Al−Si、Al−Cu−Si等の金属を真空蒸着もしく
はスパツタによつて堆積するか、あるいは
（CH₃）₃AlやAlCl₃を原材料ガスとするプラズマ
CVD法、あるいはまた上記原材料ガスのAl−Ｃ
ボンドやAl−Clボンドを直接光照射により切断
する光照射CVD法によりAlを堆積する。
（CH₃）₃AlやAlCl₃を原材料ガスとして上記のよう
なCVD法を行なう場合には、大過剰に水素を流
しておく。細くてかつ急峻なコンタクトホールに
Alを堆積するには、水分や酸素混入のまつたく
ないクリーン雰囲気の中で300〜400℃膜厚に基板
温度を上げたCVD法が優れている。第５図に示
された金属配線１０のパターニングを終えた後、
層間絶縁膜３０６をCVD法で堆積する。３０６
は、前述したPSG膜、あるいはCVD法SiO₂膜、
あるいは耐水性等を考慮しする必要がある場合に
は、（SiH₄＋NH₃）ガス系のプラズマCVD法に
よつて形成したSi₃N₄膜である。Si₃N₄膜中の水
素の含有量を低く抑えるためには、（SiH₄＋N₂）
ガス系でのプラズマCVD法を使用する。

プラズマCVD法によるダメージを現象させ形
成されたSi₃N₄膜の電気的耐圧を大きくし、かつ
リーク電流を小さくするには光CVD法による
Si₃N₄膜がすぐれている。光CVD法には２通りの
方法がある。（SiH₄＋NH₃＋Hg）ガス系で外部
から水銀ランプの2537Åの紫外線を照射する方法
と、（SiH₄＋NH）₃ガス系に水銀ランプの1849Å
の紫外線を照射する方法である。いずれも基板温
度は150〜350℃程度である。

マスク合わせ工程及びエツチング工程により、
エミツタ７上のポリシリコンに、絶縁膜３０５，
３０６を貫通したコンタクトホールをリアクテイ
ブオンエツチで開けた後、前述した方法でAl、
Al−Si、Al−Cu−Si等の金属を堆積する。この
場合には、コンタクトホールのアスペクト比が大
きいので、CVD法による堆積の方がすぐれてい
る。第１図における金属配線８のパターニングを
終えた後、最終パツシベーシヨン膜としての
Si₃N₄膜あるいはPSG膜２をCVD法により堆積す
る（第１７図ｇ）。

この場合も、光CVD法による膜がすぐれてい
る。１２は裏面のAl、Al−Si等による金属電極
である。

本発明の光電変換装置の製法には、実に多彩な
工程があり、第１７図はほんの一例を述べたに過
ぎない。

本発明の光電変換装置の重要な点は、ｐ領域６
とn^-領域５の間及びｐ領域６とn⁺領域７の間の
リーク電流を如何に小さく抑えるかにある。n^-
領域５の品質を良好にして暗電流を少なくするこ
とはもちろんであるが、酸化膜などよりなる分離
領域４とn^-領域５の界面こそが問題である。第
１７図では、そのために、あらかじめ分離領域４
の側壁にアモルフアスSiを堆積しておいてエピタ
キシヤル成長を行なう方法を説明した。この場合
には、エピタキシヤル成長中に基板Siからの固相
成長でアモルフアスSiは単結晶化されるわけであ
る。エピタキシヤル成長は、850℃〜1000℃程度
と比較的高い温度で行なわれる。そのため、基板
Siからの固相成長によりアモルフアスSiが単結晶
化される前に、アモルフアスSi中に微結晶し成長
し始めてしまうことが多く、結晶性を悪くする原
因になる。温度が低い方が、固相成長する速度が
アモルフアスSi中に微結晶が成長し始める速度よ
り相対的にずつと大きくなるから、選択エピタキ
シヤル成長を行なう前に、550℃〜700℃程度の低
温処理で、アモルフアスSiを単結晶しておくと、
界面の特性は改善される。この時、基板Siとアモ
ルフアスSiの間に酸化膜等の層があると固相成長
の開始が遅れるため、両者の境界にはそうした層
が含まれないような超高清浄プロセスが必要であ
る。

アモルフアスSiの固相対成長には上述したフア
ーナス成長の他に、基板をある程度の温度に保つ
ておいて、フツシユランプ加熱あるいは赤外線ラ
ンプによる、たとえば数秒から数10秒程度のラピ
ツドアニール技術も有効である。こうした技術を
使うときには、SiO₂層側壁に堆積するSiは、多
結晶でもよい。ただし、非常にクリーンなプロセ
スで堆積し、多結晶対の結晶粒界に酸素、炭素等
の含まない多結晶Siしておく必要がある。

こうしたSiO₂側面のSiが単結晶化された後、Si
の選択成長を行うことになる。

SiO₂分離領域４と高抵抗n^-領域５界面のリー
ク電流がどうしても問題になる時は、高抵抗n^-
領域５のSiO₂分離領域４に隣接する部分だけ、
ｎ形の不純物濃度を高くしておくとこのリーク電
流の問題はさけられる。たとえば、分離SiO₂領
域４に接触するn^-領域５の0.3〜1μｍ程度の厚さ
の領域だけ、たとえば１〜10×10¹⁶cm^-3程度にｎ
形の不純物濃度を高くするのである。この構成は
比較的容易に形成できる。基板１上に略々1μｍ
程度熱酸化膜を形成した後、その上にCVD法で
堆積する。SiO₂膜をまず所要の厚さだけ、所定
の量のＰを含んだSiO₂膜にしておく。さらにそ
の上にSiO₂をCVD法で堆積するということで分
離領域４を作つておく。その後の高温プロセスで
分離領域４中にサンドイツチ状に存在する燐を含
んだSiO₂膜から、燐が高抵抗n^-領域５中に拡散
して、界面がもつとも不純物濃度が高いという良
好な不純物分布を作る。

すなわち、第１８図のような構造に構成するわ
けである。分離領域４が、３層構造に構成されて
いて、３０８は熱酸化膜SiO₂、３０９は燐を含
んだCVD法SiO₂膜、３０１はCVD法SiO₂膜であ
る。分離領域４に隣接して、n^-領域５中との間
に、ｎ領域３０７が、燐を含んだSiO₂膜３０９
からの拡散で形成される。３０７はセル周辺全部
に形成されている。この構造にすると、ベース・
コレクタ間容量Cbcは大きくなるが、ベース・コ
レクタ間リーク電流は激減する。

第１７図では、あらかじめ分離用絶縁領域４を
作つておいて、選択エピタキシヤル成長を行なう
例について説明したが、基板上に必要な高抵抗
n^-層のエピキタシヤル成長をしておいてから、
分離領域となるべき部分をリアクテイブイオンエ
ツチングによるメツシユ状に切り込んで分離領域
を形成する、Ｕグループ分離技術（A.Hayasaka
et al，“Ｕ−groove isolation technique for
high speed bipolar VLSI′S″，Tech.Dig.of
IEDM.P.62，1982，参照）を使つて行なうこと
も出来る。

本発明に係る光電変換装置は、絶縁物より構成
される分離領域に取り囲まれた領域に、その大部
分の領域が半導体ウエハ表面に隣接するベース領
域が浮遊状態になされたバイポーラトランジスタ
を形成し、浮遊状態になされたベース領域の電位
を薄い絶縁層を会して前記ベース領域の一部に設
けた電極により制御することによつて、光情報を
光電変換する装置である。高不純物濃度領域より
なるエミツタ領域が、ベース領域の一部に設けら
れており、このエミツタは水平スキヤンパルスに
より動作するMOSトランジスタに接続されてい
る。前述した、浮遊ベース領域の一部に薄い絶縁
層を介して設けられた電極は、水平ラインに接続
されている。ウエハ内部に、設けられるコレクタ
は、基板で構成されることもあるし、目的によつ
ては反対導電型高抵抗基板に、各水平ラインごと
に分離された高濃度不純物埋込み領域で構成され
る場合もある絶縁層を介して設けられた電極で、
浮遊ベース領域のリフレツシユを行なう時のパル
ス電圧に対して、信号を読み出す時の印加パルス
電圧は実質的に大きい。実際に、２種類の電圧を
待つパルス列を用いてもよいし、ダブルキヤパシ
タ構造で説明したように、リフレツシユ用MOS
キヤパシタ電極の容量C_OXにくらべて読出し用
MOSキヤパシタ電極の容量C_OXを大きくしておい
てもよい。リフレツシユパルス印加により、逆バ
イアス状態になされた浮遊ベース領域に光励起さ
れたキヤリアを蓄積して光信号に基づいた信号を
記憶させ、該信号読出し時には、ベース・エミツ
タ間が順方向に深くバイアスされるように読出し
用パルス電圧を印加して、高速度で信号を読出せ
るようにしたことが特徴である。こうした特徴を
備えれば、本発明の光電変換装置はいかなる構造
で実現してもよく、前記の実施例に述べられた構
造に限定されないことはもちろんである。

たとえば、前記の実施例で説明した構造と導電
型がまつたく反転した構造でも、もちろん同様で
ある。ただし、この時には印加電圧の極性を完全
に反転する必要がある。導電型がまつたく反転し
た構造では、領域はｎ型になる。すなわち、ベー
スを構成する不純物はAsやＰになる。AsやＰを
含む領域の表面を酸化すると、AsやＰはSi／
SiO₂界面のSi側にパイルアツプする。すなわち、
ベース内部に表面から内部に向う強いドリフト電
界が生じて、光励起されたホールはただちにベー
スからコレクタ側に抜け、ベースにはエレクトロ
ンが効率よく蓄積される。

ベースがｐ型の場合には、通常使われる不純物
はボロンである。ボロンを含むｐ領域表面を熱酸
化すると、ボロンは酸化膜中に取り込まれるた
め、Si／SiO₂界面近傍のSi中におけるボロン濃度
はやや内部のボロン濃度より低くなる。この深さ
は、酸化膜厚にもよるが、状数100Åである。こ
の界面近傍には、エレクトロンに対する逆ドリフ
ト電界が生じ、この領域に光励起されたエレクト
ロンは、表面に集められる傾向にある。このまま
だと、この逆ドリフト電界を生じている領域は不
感領域になるが、表面に沿つた一部にn⁺領域が、
本発明の光電変換装置では存在しているため、ｐ
領域のSi／SiO₂界面に集まつたエレクトロンは、
このn⁺領域に再結合される前に流れ込む。その
ために、たとえばボロンがSi／SiO₂界面近傍で
減少していて、逆ドリフト電解が生じるような領
域が存在しても、ほとんど不感領域にはならな
い。むしろ、こうした領域がSi／SiO₂界面に存
在すると、蓄積されたホールをSi／SiO₂界面か
ら引き離して内部に存在させるようにするため
に、ホールが界面で消滅する効果が無くなり、ｐ
層のベースにおけるホール蓄積効果が良好とな
り、きわめて望ましい。

なお、本発明に係る光電変換装置は以上述べた
固体撮像装置の外に、たとえば、画像入力装置、
フアクシミリ、ワークステイシヨン、デジタル複
写機、ワープロ等の画像入力装置、OCR、バー
コード読取り装置、カメラ、ビデオカメラ、８ミ
リカメラ等のオートフオーカス用の光電変換被写
体検出装置等にも応用できる。

以上説明してきたように本発明の光電変換装置
は、浮遊状態になされた制御電極領域であるベー
ス領域に光により励起されたキヤリアを蓄積する
ものである。すなわち、Base Store Image
Sensorと呼ばれるべき装置であり、BASISと略
称する。

本発明の光電変換装置は、１個のトランジスタ
で１画素を構成できるため高密度化がきわめて容
量であり、同時にその構造からブルーミング、ス
ミアが少なく、かつ高感度である、そのダイナミ
ツクレンジは広く取れ、内部増幅機能を有するた
めの配線容量によらず大きな信号電圧を発生する
ため低録音でかつ周辺回路が容易になるという特
徴を有している。例えば従来の高品質固体撮像装
置として、その工業的価値はきわめて高い。

［発明の効果］ 本発明によれば、蓄積時の逆バイアス状態を制
御してセル自体にスイツチング作用を持たせ出力
回路の簡略化を図ることができる。

同様に本発明によれば、プロセス上ばらつきが
あつたとしても、あるいは、いかなる光量の光が
照射された時でも、残像やノイズやセル毎の出力
のばらつきがほとんど問題とならず、且つより一
層優れた高速リフレツシユができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係る光センサセルを
示し、ａは断面図、ｂはその等価回路図である。
第２図は本発明に係る光電変換装置の一構成例の
回路図である。第３図から第８図までは、本発明
に係る光センサセルの主要構造及び基本動作を説
明するための図である。第３図は読出し動作時の
等価回路図、第４図はリフレツシユ動作時の等価
回路図、第５図ａは平面図、ｂは断面図、ｃは等
価回路図であり、第６図は読出し時間と読出し電
圧との関係を示すグラフ、第７図ａは蓄積電圧と
読出し時間との関係を、第７図ｂはバイアス電圧
と読出し時間との関係をそれぞれ示すグラフ、第
８図ａ〜Ｃはリフレツシユ時間とベース電位との
関係を示すグラフである。第９図から第１１図ま
では、第２図の光電変換装置の説明図であり、第
９図ａはパルスタイミング図、第９図ｂは各動作
時に電位分布を示すグラフである。第１０図は出
力信号に関係する等価回路図、第１１図は導通し
た瞬間からの出力電圧を時間との関係で示すグラ
フである。第１２，１３及び第１４図は他の光電
変換装置を示す回路図である。第１５図は本発明
の構成例に係る光センサセルの変形例を説明する
ための平面図である。第１６図は第１５図に示す
光センサセルにより構成した光電変換装置の回路
構成図である。第１７図及び１８図は本発明の光
電変換装置の一製造方法例を示すための断面図で
ある。 １……シリコン基板、２……PSG膜、３……
絶縁酸化膜、４……素子分離領域、５……n^-領
域（コレクタ領域）、６……ｐ領域（ベース領
域）、７，７′……n⁺領域（エミツタ領域）、８…
…配線、９……電極、１０……配線、１１……
n⁺領域、１２……電極、１３……コンデンサ、
１４……バイポーラトランジスタ、１５，１７…
…接合容量、１６，１８……ダイオード、１９，
１９′……コンタクト部、２０……光、２８……
垂直ライン、３０……光センサセル、３１……水
平ライン、３２……垂直シフトレジスタ、３３，
３５……MOSトランジスタ、３６，３７……端
子、３８……垂直ライン、３９……水平シフトレ
ジスタ、４０……MOSトランジスタ、４１……
出力ライン、４２……MOSトランジスタ、４３
……端子、４４……トランジスタ、４５……負荷
抵抗、４６……端子、４７……端子、４８……
MOSトランジスタ、４９……端子、６１，６２，
６３……区間、６４……コレクタ電位、６７……
波形、８０，８１……容量、８２，８３……抵
抗、８４……電流源、１００，１０１，１０２…
…水平シフトレジスタ、１１１，１１２……出力
ライン、１３８……垂直ライン、１４０……
MOSトランジスタ、１４８……MOSトランジス
タ、１５０，１５０′……MOSコンデンサ、１５
２，１５２′……光センサセル、２０２，２０３，
２０５……ベース電位、２２０……埋込p⁺領域、
２２２，２２５……配線、２５１……p⁺領域、
２５２……n⁺領域、２５３……配線、３００…
…アモルフアスシリコン、３０２……窒化膜、３
０３……PSG膜、３０４……ポリシリコン、３
０５……PSG膜、３０６……層間絶縁膜。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 第一導電型の半導体からなる制御電極領域
   と、前記第一導電型とは異なる第二導電型の半導
   体からなり容量負荷を含む出力回路に電気的に接
   続された第一の主電極領域と、第二導電型の半導
   体からなる第二の主電極領域と、を有し、光エネ
   ルギーを受けることにより生成されるキヤリアを
   前記制御電極領域に蓄積可能なトランジスタと、 前記制御電極領域にキヤリアを蓄積するために
   前記制御電極領域と前記第一の主電極領域との接
   合部を逆方向にバイアスする為の手段と、 前記制御電極領域が逆方向にバイアスされる時
   の該制御電極領域の電位の変化を制限する為の制
   限手段と、 前記制御電極領域と前記第一の主電極領域との
   接合部を順方向にバイアスし、出力信号を前記容
   量負荷における電圧として読み出す為の読み出し
   手段と、 を具備することを特徴とする光電変換装置。 ２ 前記トランジスタはバイポーラトランジスタ
   であり、前記制限手段は該トランジスタのベース
   に接続されて設けられたダイオードであることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の光電変
   換装置。